Electrostatica

Electrostática

Introducción


En este capítulo nos introducimos al estudio de la electricidad. Concretamente, y para un mejor ordenamiento, estudiaremos en principio los fenómenos originados por cargas eléctricas en reposo, es decir lo que en Física se conoce como electrostática. Serán tratadas las fuerzas de atracción y repulsión entre cargas, el concepto de campo eléctrico asociado auna carga puntual, y también la energía potencial eléctrica y potencial eléctrico asociadas a un sistema de cargas eléctricas. Veremos que los conceptos eléctricos están estrechamente vinculados con los conceptos propios de la Mecánica, y aplicaremos el principio de conservación de la energía aplicado a un sistema de cargas eléctricas. Es importante tener presentes los conceptos de magnitudesescalares y vectoriales, puesto que fuerza eléctrica y campo eléctrico son magnitudes vectoriales y, en cambio, energía potencial eléctrica, trabajo eléctrico y potencial eléctrico, son magnitudes escalares.



Cargas eléctricas


Para interpretar el concepto de carga eléctrica, se puede entablar una comparación y buscar cierta similitud con el concepto de masa. Es decir, de igual formaque a todo cuerpo ó partícula, se le atribuye la propiedad llamada masa, también a todo cuerpo ó partícula, se le hace corresponder una carga eléctrica, la cual puede ser positiva, negativa ó neutra. Este concepto de carga eléctrica permite una representación sencilla de un tipo de fuerzas, que pueden ser de atracción ó repulsión.


Para entender el significado de carga eléctrica, se puedeanalizar el modelo que explica la estructura elemental del átomo. Un átomo está compuesto de un núcleo diminuto, que contiene partículas subatómicas denominadas protones y neutrones, rodeado de otras partículas en movimiento denominadas electrones. A los protones se le asigna carga positiva, a los electrones carga negativa y los neutrones, desde el punto de vista eléctrico, son neutros. Ademásse sabe que el átomo no tiene una carga eléctrica neta resultante, es decir que la suma de carga positiva que aportan los protones, es igual a la suma de carga negativa que aportan los electrones. Cuando un átomo pierde ó gana electrones, altera su neutralidad eléctrica, y se convierte en un ión: positivo ó catión (carga positiva) , negativo ó anión (carga negativa).


Cuando se dice queun electrón tiene cierta cantidad de carga eléctrica negativa, lo que se quiere expresar es que se comporta de una manera determinada. La carga eléctrica es simplemente un nombre conveniente para trabajar ciertas leyes físicas.


Desde un enfoque eléctrico, resulta que el universo, en su totalidad es casi, sino completamente, neutro. La Tierra tiene muy poco exceso, si es que tienealguno, de carga positiva o negativa. La vasta mayoría de cargas sobre y en el interior de la Tierra, residen como constituyentes de átomos. Cuando se encuentran cargas positivas o negativas libres, generalmente se supone que han sido arrancadas de un átomo. Así por ejemplo, si una barra de goma dura (ebonita) se frota con una piel de animal, algunos de los electrones pertenecientes a los átomos de losmateriales que constituyen la piel pasan, por efecto de la frotación, a la barra de ebonita. En consecuencia, esta barra, adquiere un exceso neto de electrones, es decir queda cargada negativamente. Cuando la barra se frota contra un objeto metálico, parte de los electrones en exceso son transferidos al metal, como se muestra en la figura 1.1




De manera semejante, si una varilla devidrio se frota con un paño de seda, algunos de los electrones abandonan los átomos del vidrio y dan lugar a un exceso de electrones en la seda. De esta manera, la varilla de vidrio posee un exceso de cargas positivas. Si dicha varilla de vidrio toca a una esfera metálica neutra, saldrán electrones de algunos de los átomos del metal para reemplazar a los perdidos por los átomos de vidrio. Como...