Fuerza Eléctrica
Antes de iniciar el estudio de la fuerza eléctrica, es importante conocer el concepto de fuerza, así como sus tipos, representaciones gráficas y unidades. Si observamos a nuestro entorno, veremos que estamos rodeados de diferentes movimientos; por ejemplo, el caer de la lluvia, el movimiento de la tierra alrededor del sol, cuando pateamos un balón de fútbol o lanzamos una pelota de beisbol o simplemente cuando empujamos o jalamos un mueble de nuestra casa. Sin embargo, para que todos estos movimientos sucedan, se requiere la presencia de una fuerza.Podemos definir el concepto de fuerza como una magnitud vectorial que tiene la propiedad de cambiar la forma de los objetos, romper su inercia, modificar su velocidad y cambiar su estado de reposo, poniéndolos en movimiento. También podemos decir que fuerza es toda acción o influencia capaz de modificar el estado de reposo o movimiento de su cuerpo, imprimiéndole una aceleración que modifica su velocidad, dirección o sentido, o bien, deformándolo. La Segunda Ley de Newton expresa la relación que se a entre fuerza, masa y aceleración. Se enuncia de la siguiente manera:
La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. Se enuncia matemáticamente por:
F = m X a
La fuerza es una magnitud física que se puede medir con un instrumento llamado dinamómetro. De acuerdo con el Sistema Internacional de medidas, su unidad es el Newton (N); esta unidad equivale a 1 kg/s².
El newton se considera una magnitud derivada, ya que se formula con unidades fundamentales de masa, longitud y tiempo.Partiendo de la fórmula
F = m X a, se tiene que:
1N = 1 kg X m/s²
1N = kg/s²
Existe diferentes clases de campos de fuerza, los cuales se caracterizan por el tipo de agente sobre el cual actúan o por el agente que los crea; entre ellos destacan 3: Gravitatorio, Eléctrico y Magnético.
El campo gravitatorio se origina cuando una masa crea un campo de fuerza cuya acción se manifiesta sobre otra masa. Así, podemos decir que un campo gravitatorio es una región del espacio donde toda masa se ve sometida a la acción de una fuerza. Dentro de un campo gravitatorio, la fuerza que actúa sobre una masa "m" depende del valor de la masa y de la intensidad del campo gravitatorio; este último se define como la fuerza que actúa en un punto sobre la unidad de masa colocada en dicho punto y representa por la letra I. La intensidad de un campo gravitatorio se define como la fuerza F ejercida sobre una masa m colocada en un punto de campo gravitatorio, es decir:
I = F / m
La fuerza es una cantidad vectorial que consta de magnitud, dirección y sentido; se representa gráficamente de la siguiente manera:
Con el propósito de abordar el tema de fuerza eléctrica, es pertinente partir de la clasificación de la electricidad para fines de estudio. La electricidad se divide en 2 grandes ramas: Electrostática y electrodinámica. La primera tiene que ver con el comportamiento de las cargas en estado de reposo, equilibrio o estáticas, y la segunda con las cargas en movimiento.Un ejemplo de electrostática lo podemos encontrar en la generación de los rayos. Cuando las nubes se encuentran cargadas positiva mente se establece un canal natural que atrae las cargas negativas o exceso de electrones, que se encuentran en estado de reposo en la tierra. En ese momento, al hacer contacto con la nube se produce el rayo, debido a la liberación de la enorme carga eléctrica acumulada.
¿Sabes de donde proviene el término electricidad?
En el año de 1600, El científico William Gilbert publicó su obra De Magnete, utilizando por primera vez el término electricidad; esta palabra tiene su origen en el vocablo griego elektrón, que significa ambar. Gilbert comprobó que la propiedad de atraer partículas diminutas o cuerpos ligeros no era exclusivamente de este material, sino que había otros como el vidrio, que, al ser frotados con un trozo de lana o piel, se comportaban de manera muy similar al ambar. Este fenómeno de atracción dio origen al término fuerza eléctrica.
En el año 1672, el físico alemán Otto von Guerike desarrolló la primera maquina eléctrica, conocida también como generador electrostático la cual consistía en una gran esfera de azufre acoplada a una manivela con la cual se la hacía girar para inducir la carga eléctrica al frotar la esfera con un paño.
En 1766, Joseph Priestley, químico, teólogo y filósofo, nacido en Gran Bretaña, comprobó que la carga eléctrica se distribuía de manera uniforme en la periferia de una esfera hueca, mientras que en el interior de esta había ausencia de carga; también observó que la atracción o repulsión de dos cuerpos cargados eléctricamente era inversamente proporcional al cuadro de la distancia que los separaba. Es decir, a mayor distancia menor fuerza, y viceversa.
Más tarde, en 1777, el científico francés Charles Coulomb estudió la fuerza de atracción y repulsión utilizando la balanza de torsión y corroboró que la fuerza entre dos cargas eléctricas era proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que la separaba con lo que estableció lo que ahora conocemos como Ley de Coulomb.
La balanza es un dispositivo que sirve para medir fuerzas debiles, que consiste en dos esferas suspendidas por un hilo o material aislante; una de ellas (a) permanece estática o fija durante el experimento, mientras que la otra (b) provoca una torsión en el material aislante cuando las esferas son repelidas o atraídas según el tipo de carga que contengan; esta fuerza de atracción o repulsión que se manifiesta mediante un ángulo que puede ser medida con un arillo graduado para tal caso como se muestra en la siguiente figura.
Otro físico que hizo otra gran aportación fue el italiano Alessandro Volta, que en el año de 1800 desarrolló la primera pila galvánica, utilizando placas de cobre y Cinc sumergidas en un recipiente lleno de Salmuera que servía como conductor. Este invento fue el antecedente de la pila o batería eléctrica. Michael Faraday, Físico y químico inglés que descubrió como podía generarse electricidad utilizando un imán rodeado de espiral de hierro; James Joule, físico inglés que estudió como se transformaba en energía calorífica la perdida de energía eléctrica, y el estadounidense Joseph Henry, que construyo el primer electroimán. Sin embargo, terminaremos este recorrido por la historia de la electricidad con la aportación del físico alemán Geroge Simon Ohm, que se encargó de estudiar la relación existente entre el voltaje, la intensidad de la corriente eléctrica y la resistencia de los materiales para conducir dicha intensidad, lo que dio origen a la ley de Ohm, nombrada así en su honor, la cual estudiaremos más adelante.
Carga Eléctrica
Sabemos que todo cuerpo esta formado por materia y esta, a su vez, por moléculas las cuales están constituidas por partículas diminutas no perceptibles a simple vista denominadas átomos. A finales de siglo XIX, el átomo era considerado como una esfera solida, parecida a una bola de billar, y se pensaba que era la unidad mas pequeña, de un elemento químico. La palabra átomo y significa no divisible.
A finales de siglo XIX y principios del XX, después de innumerables experimentos, se llego a la conclusión de que el átomo contenía pequeñísimas partículas subatómicas, las cuales eran las responsables de generar la carga eléctrica de los cuerpos. Estas partículas se conocen con el nombre Protones y Electrones. La primera es portadora de carga positiva y, junto con los neutrones, que no tienen carga, se encuentra ubicada en el centro del átomo, el cual recibe el nombre de núcleo. Puesto que el núcleo se encuentra firmemente colocado, los protones nunca se mueven de un material a otro. El segundo tipo de partículas, los electrones, poseen una carga negativa y se encuentran en la periferia del átomo denominada corteza.
Un átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro, por lo que se considera que está formando por el mismo numero de electrones (-) que de protones (+). Por consiguiente, se dice que un cuerpo o material queda cargado eléctricamente cuando éste ha perdido o ganado electrones y adquiere una carga negativa; en el caso inverso, cuando un cuerpo pierde electrones, se dice que adquiere una carga positiva.
- Cuando un cuerpo gana electrones, adquiere una carga negativa.
- Cuando un cuerpo pierde electrones, adquiere una carga positiva.
- El espacio que rodea a un cuerpo cargado eléctricamente se conoce como campo eléctrico.
El principio fundamental de las cargas eléctricas consiste en que dos cargas del mismo signo se repelen y dos cargas de signos diferentes se atraen.
Conservación de la carga eléctrica
Otra propiedad o característica importante de comportamiento de las cargas eléctricas es que, en un sistema aislado, la carga neta siempre se conserva. Recordemos que en un átomo neutro hay igual numero de electrones que de protones de tal modo que no existe ninguna carga neta; Por consiguiente, podemos decir que cuando hay un desequilibrio en el numero de electrones de cualquier cuerpo este se cargará electricamente.
Este desequilibrio se puede lograr cuando, por cualquier método de electrización, el cuerpo gana o cede electrones; estos electrones son, por lo general, los que se encuentran mas alejados del núcleo, ya que pueden liberarse con mayor facilidad porque la carga positiva de los electrones ejerce una menor fuerza de atracción.
Cabe mencionar que los electrones no se crean ni se destruyen sino que se distribuyen de un material a otro, es decir, los electrones que se pierden en un cuerpo o material son ganados en igual numero por otro; por ejemplo cuando frotamos un peine de plástico en nuestro cabello, este cede electrones al peine, por lo que queda cargado negativamente mientras que el cabello adquiere una carga positiva equivalente a la carga negativa del peine, es decir, la carga se conserva en cada evento, esto se debe a la ley de la conservación de la carga eléctrica, la cual podemos definir de la siguiente manera: La resultante de la carga total, en un proceso de transferencia de carga eléctrica entre cuerpos, permanecerá siempre constante. O bien, la variación de la carga total en un proceso de transferencia de cargas entre cuerpos es igual a cero. Matemáticamente se expresa mediante la ecuación:
∆Q= 0
Donde:
Q es la carga total existente en el proceso de electrización
Se dice que todo objeto cargado obtiene un exceso o déficit de electrones. Robert Millikan descubrió que esta carga puede ser cuantificada siempre en múltiplos de una unidad de carga fundamental, a la que representó con el símbolo e-, por lo que un objeto puede tener una carga de ± e-, o bien, ± 8 e-, o también ± 3 e-, pero nunca encontraremos una carga fraccionada como ± 3.5 e-, ni ± 1/2 e-.
En el sistema internacional de medidas, la unidad de carga electrica se llama coulomb (O culombio) y se representa con la letra C, la cual se define como la cantidad de carga que ejerce una fuerza de 9x10^9 N sobre otra carga de igual tamaño a una distancia de 1 metro. La carga de un electron es considerada como -e y la del protón se considera de la misma magnitud pero opuesta a la de electrones, como es decir, +e. El valor determinado de la carga fundamental del electrón, es 1.602x10^-19 C.
Formas de electrización
Empezaremos por decir que el termino electrizado es un termino que se le asigna a un cuerpo cargado eléctrica mente electrizar un cuerpo no es mas que lograr el re acomodo de los electrones que se encuentran en la superficie haciéndolos pasar a otro.
Su desplazamiento o movilidad está estrechamente ligada al material de que está constituido el objeto; por ejemplo, si el material del que se compone el objeto es madera, vidrio, papel, plástico o agua destilada, las partículas cargadas no se desplazaran fácilmente por el objeto mas que en la región que es sometida al proceso de electrización, ya que esos materiales se consideran aislantes o malos conductores de la electricidad. Por el contrario, si el objeto está formado por algún metal, las partículas cargadas que se coloquen sobre este se distribuirán fácilmente ya que los metales como el cobre o la plata se consideras buenos conductores de la electricidad.
Básicamente, se conocen 3 formas de electrización o procesos para cargar electricamente un cuerpo: por frotamiento o fricción, por contacto o conducción y por inducción.
Proceso de electrización por frotamiento o fricción.
En este método, es necesario frotar en repetidas ocasiones un objeto contra otro para lograr que uno de los dos materiales atraiga los electrones del otro.
Cuando se desplaza una franela húmeda sobre la superficie de un cristal lleno de polvo, la franela se lleva o arrastra el polvo; de manera similar, cuando frotamos por ejemplo una mascada o pañuelo de seda contra un peine o varilla de plástico, por lo que este último queda con una carga positiva, mientras que la seda gana electrones y queda electrizada negativamente debido al exceso de electrones que contiene después del frotamiento.
Proceso de electrización por conducción o contacto.
A diferencia del proceso anterior, en este caso es necesario que el cuerpo previamente electrizado entre en contacto con un cuerpo neutro para que se lleve a cabo el proceso de electrización por contacto o conducción. Este fenómeno sucede porque al entrar los cuerpos en contacto, los electrones se transfieren del material que contiene un exceso de electrones al otro.
La distribución uniforme de la carga en el material que originalmente se encontraba en estado neutro dependerá mucho de que este sea un buen conductor de la electricidad, en caso contrario, será necesario tocar el objeto neutro en varias partes para lograr una distribución mas o menos homogénea Al ponerse en contacto, ambos cuerpos adquirirán la misma carga.
Proceso de electrización por inducción.
Por ejemplo, si tenemos una esfera conductora neutra y aislada, es decir, que contiene el mismo numero de electrones que de protones y que además no esta en contacto con la tierra, y le acercamos una varilla de caucho cargada negativamente, observaremos que las cargas se distribuyen en la esfera por el principio de atracción y repulsión que ya estudiamos antes, la varilla de caucho atrae las cargas positivas y aleja las negativas. Después, aterricemos nuestra esfera mediante un alambre de cobre conectado a nuestra varilla, o directamente a la tierra, al hacer esto, los electrones se desplazarán hacia la tierra, por lo que únicamente quedan las cargas positivas en la esfera. Ahora retiremos el alambre de la esfera, y por último, separemos la varilla de caucho y las cargas positivas se distribuirán uniformemente en la periferia de toda la esfera conductora. De esta manera ha quedado cargada la esfera mediante el método de inducción.
Ley de Coulomb
El científico francés Charles Coulomb encontró, mediante experimentos en los que utilizó la balanza de torsión, que entre dos cargas puntuales en reposo, La fuerza eléctrica de atracción o repulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que la separa. También descubrió que La fuerza es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas q1 y q2, y estableció que la fuerza es de atracción si las cargas son de signos contrarios, y de repulsión, si ambas cargas son de signos iguales.
Partiendo de esas observaciones como podemos establecer la magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas separadas por una distancia (r) como:
F = k q1q2/r²
Donde:
F = Fuerza eléctrica de atracción o repulsión.
k = Constante de Coulomb o de proporcionalidad eléctrica, cuyo valor en el sistema internacional de medidas es:
k = 8.9875x10^9 N m²/C²
A fin de poder simplificar los cálculos, es valido aproximar el valor a:
k = 9x10^9 N m²/C²
q1 y q2 = cargas puntuales
r = distancia que separa las cargas
La ecuación anterior se conoce como Ley de Coulomb y se aplica únicamente a cargas puntuales esféricas.
Cuando dos cargas puntuales q1 y q2 se encuentran separadas por una distancia r, de acuerdo con la ley de coulomb ejercen una fuerza reciproca; si ambas son del mismo signo habrá una repulsión es decir, la fuerza sobre q1 sera de igual magnitud y de dirección opuesta a la fuerza de q2, y si son de signos contrarios, se ejercerá una atracción.
Como se muestra en la figura anterior, la fuerza ejercida entre las cargas, es una magnitud vectorial, por lo tanto, debe ser considerada como tal. En el primer caso, puesto que ambas esferas se encuentran cargadas positiva mente la fuerza resultante es de repulsión y en el segundo, la fuerza resultante es de atracción.
A mayor distancia, la fuerza ejercida sera menor, la expresión vectorial FQ-q significa la fuerza ejercida por la carga q2 sobre la carga q1, y la fuerza Fq-Q se trata de la fuerza ejercida por la carga q1 sobre la carga q2.
Este tipo de fuerzas obedecen la 3era ley de newton, que expresa: las fuerzas siempre ocurren en pares. Si el objeto ejerce una fuerza F sobre el objeto B, entonces el objeto B ejerce una fuerza igual y opuesta F sobre el objeto A.
Retomando en el segundo caso de la figura anterior, la fuerza de atracción es parecida a la fuerza gravitacional, debido a que ambas esferas contienen cargas opuestas. De acuerdo con esto es pertinente mencionar que entre la fuerza gravitacional y la eléctrica es que la primera solo puede ser de atracción mientras que la segunda también puede ser de repulsión.
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