Computo II

Carga y fuerza eléctrica

El estudio de la electricidad y los efectos relacionados derivados de porciones de masa se remonta a la antigüedad, pero no es hasta el siglo XVIII cuando se estudia en profundidad gracias a Benjamin Franklin y Cavendish, que fueron los primeros en postular una ley para la fuerza eléctrica muy parecida a la de Newton con la fuerza gravitatoria. Sin embargo, la difusión de este pilar fundamental se le debe a Coulomb, nombre asignado posteriormente a la unidad de la carga.

Carga Eléctrica:

A través de experimentos se declararon las siguientes propiedades para las cargas eléctricas:

– Conservación de la carga: En un sistema aislado, la carga total se conserva.

– Tipos de carga: positiva o negativa, es decir, de atracción o de repulsión. Las cargas iguales tienden a repelerse mientras que las cargas contrarias se atraen.

– Cuantización de la carga: La carga se cuantifica en proporción a la cantidad de carga elemental que es el electrón de un átomo. En el Sistema Internacional un electrón posee qe=1,602·10-19C.

Fuerza Eléctrica:

En 1785 Coulomb publicó sus experimentos utilizando una balanza de torsión sobre la influencia de una carga que sobre otra carga puntual en lo que se denominó: Ley de Coulomb.

Donde ur es el vector unitario en la dirección y sentido del vector r–r’ y k es una constante cuyo valor es: k=8,988·109 Nm2C-2. Aunque normalmente j se expresa en función de otra constante, la permitividad eléctrica del vacío, ε0: k=1/4πε0, ε0=8,854·10-12 Fm-1.

Se ha calculado experimentalmente que esta ley se cumple para distancias de hasta 10-13metros, a partir de las cuales es necesario tomar en consideración efectos cuánticos.

Teniendo en cuenta que: ur= r-r’ / |r-r’|, la ley de Coulomb puede escribirse como:

 

Campo Eléctrico

En Física, hay ramas completas que explican los efectos y el comportamiento de las fuerzas por contacto, por ejemplo, las leyes de Newton sobre el movimiento se usan para describir el comportamiento de dos cuerpos en un choque. Pero, al reflexionar un momento sobre el universo como un todo, nos convencemos de la enorme cantidad de objetos que no están en contacto. Los planetas giran alrededor del sol sin una fuerza o interacción evidente, de la misma forma, no hay cuerdas que hagan girar los electrones alrededor del núcleo de los átomos.

Concepto de Campo eléctrico

 La mayoría de las propiedades físicas, necesitan de un medio para poderse expresar, así como la tecnología Wifi necesita un espectro de radiofrecuencia para poderse propagar y la electricidad necesita cables para moverse de un punto a otro. Pero, algunas propiedades físicas como las fuerzas de acción a distancia, (la gravedad, por ejemplo) son difíciles de visualizar. Para superar esta dificultad, los físicos de la antigüedad postularon la existencia de un material invisible, al que llamaron éter, que supuestamente llenaba todo el espacio. La fuerza de atracción gravitacional podía deberse entonces a esfuerzos en el éter causados por la presencia de diversas masas. Ciertos experimentos de óptica han demostrado que la teoría del éter es insostenible, lo que nos ha obligado a considerar si el espacio en sí mismo tiene propiedades interesantes que permiten la propagación de algunas fuerzas.

El campo gravitacional puede expresarse mediante la fórmula:

      Fg
g = ---
      m

Donde:

g: Aceleración debida a la fuerza de gravedad.

Fg: Fuerza de gravedad.

M: Masa de prueba.

De forma análoga, se puede considerar que el espacio que rodea una partícula cargada se puede deformar por la intervención de una fuerza eléctrica. Por lo tanto, se dice que existe un campo eléctrico en una región de espacio en la que una carga eléctrica experimenta una fuerza eléctrica.

Intensidad del Campo Eléctrico

Supongamos que se desea calcular la intensidad del campo eléctrico entre una carga y una carga puntual ubicadas a una distancia, como muestra la siguiente figura:

Del mismo modo que en el campo gravitacional, se puede expresar laintensidad del campo eléctrico (representado por) en términos de la fuerza eléctrica ()y una carga pequeña ().

De esta forma, la magnitud del campo eléctrico está por la fórmula:

        F

E = ___

        q

En el sistema internacional, la unidad de medida de la intensidad del campo eléctrico, es el N/C.