Electricidad y Magnetismo. Leyes Básicas

1.1    Tema 1. Electricidad y magnetismo. Leyes básicas. Fundamentos de campos electromagnéticos  1.1. Carga eléctrica. Campo eléctrico. Ley de Coulomb.  1.2. Magnetismo. Campo Magnético. Relación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos.  1.3.    1.1. Carga eléctrica. Ley de Coulomb. Campo eléctrico.   1.1.1. Electrización de los cuerpos. La carga Eléctrica.  El  estado  actual  de conocimientos  acerca  de  las  cargas  eléctricas  puede resumirse en la forma siguiente. Una varilla de vidrio frotada  con seda repele a otra tratada de la misma manera anteriormente:  aparecen  fuerzas  de  repulsión  (ver  figura).    Sin  embargo,  si  se  sustituye una de las varillas por otra de caucho duro (ebonita), que ha sido frotada con piel de conejo, se encuentra que las varillas se  atraen.  Por otra parte, dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen.  Se llega así rápidamente a la conclusión de que hay cargas de diferente naturaleza o tipos, designadas  arbitrariamente como positivas (+) y negativas (−).  Las cargas de igual signo se repelen;  las de signo  contrario se atraen.   ¿De  qué  forma  ocurre  la  electrización?    Según  el  modelo  clásico  del  átomo,  los electrones  de  carga  negativa  rotan  alrededor  de  un  núcleo  positivo.    Al  frotar  la  varilla  ocurre  la  interacción  entre  los  átomos que están en la superficie de los cuerpos frotados.  Los electrones de las capas atómicas  más  externas, débilmente ligados al núcleo, pasan de un cuerpo a otro; en un caso, del vidrio a la seda;  en el otro, de la piel de conejo a la ebonita.  De esta manera el vidrio queda cargado positivamente, y la  ebonita  con  carga  negativa.  La  partícula  de  carga  elemental  negativa  es  el  electrón,  y  la  carga  del  electrón se designa usualmente  por e‐.  La de carga positiva es el protón (carga e+), de masa 1836 veces  mayor que la del electrón.  Los  protones  se  encuentran  en  el  núcleo  atómico,  y  prácticamente no poseen movilidad.  Son los electrones quienes tienen posibilidad  de moverse  de un cuerpo a otro durante la frotación.  Cuando  hay  un exceso de electrones en el cuerpo, la carga es negativa.  Cuando  faltan  electrones  (por  haber  pasado  a  otro  cuerpo),  la  carga  es  positiva.    La  triboelectricidad    o  electrización  por  frotamiento  se encuentra presente,  en mayor o menor grado, en todos los cuerpos. 
1.1.2. Cuantización de la carga 

‐
++ +
varilla de vidrio 

‐
seda 

Es un hecho experimental ampliamente comprobado que la carga está  cuantizada.  Significa que hay una pequeña cantidad de carga elemental  que no admite división: el cuanto (o quantum) de carga.  Esa carga es la  carga  del  electrón,  y  en  el  Sistema  Internacional  de  Unidades  toma  el  valor  e‐ = 1.6 x 10‐19 C ,  donde el símbolo C representa el Coulomb, unidad de carga en este sistema.  El  valor  anterior  es  sumamente  pequeño  comparado  con  las  cargas  que  usualmente  adquieren  los  cuerpos  macroscópicos  y  los  instrumentos  utilizados  para  medir  esas  cargas.    De  aquí  que  en  los   fenómenos  eléctricos  asociados  a  cuerpos  macroscópicos  sea  posible  considerar,  con  muy  buena aproximación, que la carga del cuerpo varía en forma continua. 

1.2    1.1.3. Ley de Coulomb  En  1795,  Carlos  Agustín  Coulomb  demostró  experimentalmente  que  si  q1  y  q2  son  los  valores  de  dos  cargas puntuales y r12 la distancia que las separa:   • el módulo de la fuerza de interacción entre ambas cargas cumple la relación 
F=k q1q2
2 r12

     

• • • •La dirección de aplicación de las fuerzas es a lo largo de la recta que une las cargas.  El sentido de las fuerzas es tal que cuando q1 y q2 tienen igual signo, la fuerza es de repulsión.  Si  tienen diferente signo, la fuerza es de atracción.    Note que las fuerzas F12 y F21 son pareja de acción y reacción (ver figura).  La expresión (1.4.1) se ...