Electrostática

Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban fuertemente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños  Uno de ellos fue  Tales de Mileto, allá por el año 600 A.C. Mientras paseaba con sus discípulos, observó que, al frotar este material contra su vestimenta, se habían adherido los hilos de su manto.

En  1660 el médico y físico inglés William Gilbert, al frotar el ámbar (una resina fósil de color amarillo)  con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción  hacia cuerpos muy livianos se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas, una positiva (+) y la otra negativa (–).

 A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar.

Más tarde en 1875. el físico francés Charles de Coulomb, enunció una ley que lo hizo célebre en el estudio de la electrostática.

LEY DE COULOMB: La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une. La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas y es proporcional al producto de estas. La fuerza es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y es atractiva si las cargas tienen signos opuestos.

¿ Por qué dos cargas de igual signo se repelen y las de diferente signo se atraen ?   Para el autor de este blog no existe en la física una explicación  de este hecho, o al menos para mí es desconocida la respuesta a esta pregunta.

Veamos ahora una situación experimental que si la podemos comprender:

Veamos enseguida el procedimiento experimental utilizado por Coulomb para calcular el valor de la constante de proporcionalidad en la fórmula de su ley.

Para  ello utilizó una BALANZA  DE  TORSIÓN la cual  se basa en el principio demostrado por Coulomb que dice: ”la fuerza de torsión es proporcional al ángulo de torsión”.

 . El proceso consistía en medir los ángulos de torsión que sufría la varilla móvil sujeta del hilo  como resultado de la fuerzas de  repulsión entre  la esferitas metálicas,  fijas y móviles,  previamente electrizadas, 

  Si la Intensidad de corriente eléctrica que fluye por un conductor es igual a la relación entre la carga y el tiempo:  I  =  Q / t,   de esta fórmula se puede calcular la carga como Q = I. t.

 d

Por ejemplo en 1 minuto, la carga eléctrica en exceso, en Coulombios,  que puede almacenarse en una esfera metálica aislada con  1 miliAmperio de corriente se calcula como:

Q  =  I. t  =  (1 x 0,001  A) ( 60 s) = 0,06 C

Si suponemos las cargas iguales  en cada par de esferas, y sabemos su valor, y además conocemos la distancia entre los dos centros de las esferas, se puede despejar la constante, y si además por medio del ángulo de torsión se puede medir la fuerza de repulsión eléctrica entre ellas, entonces se puede calcular el valor de la constante así:

Se puede experimentar con esferas muy livianas para hacer despreciables sus pesos.

Henry  Cavendish, físico y químico británico,  utilizó un método experimental similar al de Coulomb para hallar la constante de la fórmula de la ley de la gravitación universal de Isaac newton en 1789.

Por otra  parte,  las investigaciones actuales de la física, como el experimento de la gota de aceite realizado por Robert Millikan en 1909,   apuntan a que la carga eléctrica está cuantizada, o sea formada por "paquetes de partículas" . 

En la fotografía aparece Robert Millikan con Albert Einstein

La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir aproximadamente  de 1,6 × 10^-19 culombios y es conocida como carga elemental.

_{Se  puede calcular:   1 C =  6,2 x 10}¹⁸ e,   o  sea  1  Culombio es una carga eléctrica equivalente a un valor aproximado de  6 trillones de electrones.

Estudiemos a continuación otro concepto muy importante en la electrostática:

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EJERCICIOS DE  APLICACIÓN:

EJERCICIO  #  1:

   Dos esferas metálicas idénticas, de radio despreciable,  están suspendidas del mismo punto por medio de  hilos  de seda de masa despreciable  y  de longitud  L = 60  cm. 

  Cada esfera se carga con carga positiva q = 10 micro culombios  separándose hasta formar un ángulo de θ = 30°  entre el hilo y la normal.

a) ¿ De cuántos Newton es la fuerza con que una esfera repele a la otra ?

b) ¿ De cuántos Newton es la fuerza de tensión del hilo ?

c) ¿ De cuántos Newton es el peso de cada esfera ?

EJERCICIO  # 2:

  En los vértices de un cuadrado de 10 cm de lado se encuentran ubicadas las cargas indicadas en la figura siendo  q = 200  micro culombios.

a) Calcule la fuerza neta  sobre la carga  situada en  cada vértice del cuadrado por efecto de las demás. Indique la dirección de cada fuerza.

b)  ¿ De qué valor en N/C   y   de qué dirección  es la Intensidad  del campo eléctrico resultante en el centro del cuadrado   ?

c)  ¿ Si todas las cargas en cada vértice del cuadrado fueran iguales en signo y en magnitud, de qué valor será la intensidad del campo eléctrico en el centro del cuadrado ?

EJERCICIO  # 3:

EJERCICIO  # 4:

Dos cargas positivas de  2  y  4  microculombios  se encuentran separadas 20 centímetros en una línea horizontal.  ¿ En qué punto la Intensidad de campo eléctrico resultante será cero ?

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PROBLEMAS  RESUELTOS  DEL  CAMPO  ELÉCTRICO

Se  recomienda  leer  detenida y comprensivamente el documento  en PDF escrito por el profesor Luis Gonzalo Revelo Pabón,  donde se encuentran  varios ejercicios  resueltos y explicados detalladamente   sobre Campo elèctrico:

http://es.slideshare.net/GONZALOREVELOPABON/campo-electrico-problemas-resueltosgonzalo-revelo-pabon