Fuerza electrica

¿Qué es la electricidad?

Tal vez la respuesta más amplia es que la electricidad es un término genérico que describe los fenómenos asociados con la interacción entre objetos eléctricamente cargados.

La electricidad apareció en sus primeros investigadores como un fenómeno extraordinario. Sacar los cuerpos el fuego sutil, como se llamo en otro tiempo, conducir un cuerpo a un estado electrizado, producir un flujo estacionario de corriente, requería medios ingeniosos.

Exceptuando el espectáculo de un relámpago, las manifestaciones corrientes de la naturaleza, desde la congelación del agua hasta el crecimiento de un árbol, no parecían tener relación con el curioso comportamiento de los cuerpos electrizados.

Entonces, ¿qué es una fuerza eléctrica?

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

 q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2
d = Distancia de separación entre las cargas
Fe = Fuerza eléctrica

Los fenómenos de la electrización y la conducción pueden explicarse como el resultado de la acción de fuerzas eléctricas. Entre dos cargas próximas inicialmente en reposo siempre se establece un tipo de fuerzas, llamadas electrostáticas, de tal forma que, si las partículas cargadas son suficientemente pequeñas como para que puedan considerarse puntuales, se cumple en las siguientes condiciones: 

• La fuerza establecida entre ambas tiene una dirección que coincide con una línea recta imaginaria que une las dos cargas. 
• La fuerza ejercida sobre una carga apunta hacia la otra cuando las dos tienen distinto signo (fuerza atractiva). 
• El sentido de la fuerza se dirige hacia el lado opuesto de la carga cuando ambas tienen el mismo signo (fuerza repulsiva).

•    Carga eléctrica

Igual que la masa, la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia.

La carga eléctrica está asociada con partículas que constituyen el átomo: el electrón y el protón. 

Los electrones son considerados como orbitando un núcleo que contiene la mayoría de la masa del átomo en forma de protones y partículas eléctricamente neutras llamadas neutrones.

La fuerza que mantiene los electrones en órbita alrededor del núcleo es la fuerza eléctrica. Sin embargo, hay distinciones importantes entre las fuerzas eléctricas y las fuerzas gravitatorias.

Una distinción básica es que solo hay un tipo de masa en la naturaleza, y se sabe que las fuerzas gravitatorias son solo atractivas. Sin embargo, la carga eléctrica existe en dos tipos, distinguidas por el título: positiva (+) y negativa (—). Los protones llevan una carga positiva y los electrones llevan una carga negativa. Las diferentes combinaciones de los dos tipos de carga pueden producir fuerzas eléctricas atractivas o repulsivas.

Las direcciones de las fuerzas eléctricas cuando las cargas interactúan entre sí están dadas por el siguiente principio llamado: Ley de las cargas o ley de carga-fuerza.

Cargas iguales se repelen entre sí, y cargas desiguales se atraen entre sí.

Las fuerzas repulsiva y atractiva son iguales y opuestas, y ellas actúan sobre objetos diferentes, de acuerdo a la tercera Ley de Newton. (acción-reacción).

La carga sobre un electrón y aquella sobre un protón son iguales en magnitud, pero opuestas en signo. La magnitud de la carga sobre un electrón es abreviada como e y es la carga fundamental, ya que es la carga más pequeña observada en la naturaleza.

 

•       Ion

 Michel Faraday (1791-1867), discípulo de Davy, extendió los estudios de su maestro a disoluciones e introdujo, por primera vez, el nombre de electrólisis para referirse a la separación o ruptura de sustancias compuestas mediante la corriente eléctrica. 

La observación de que las disoluciones salinas eran capaces de conducir la corriente eléctrica llevó a Faraday a considerar que deberían existir en tales disoluciones partículas cargadas cuyo movimiento entre los dos conductores extremos o electrodos , colocados dentro de la disolución, constituiría la corriente eléctrica. A tales partículas cargadas las llamó iones, que en griego significa viajero. El electrodo positivo recibió el nombre de ánodo; hacia él viajarían los iones negativos que llamó aniones. Por su parte el electrodo negativo o cátodo atraería a los iones positivos, que por dirigirse al cátodo los denominó cationes.

Los iones son componentes esenciales de la materia tanto inerte como viva. Son partículas con carga eléctrica neta que participan en un buen número de fenómenos químicos. A la temperatura ambiente, los iones de signo opuesto se unen entre sí fuertemente siguiendo un esquema regular y ordenado que se manifiesta bajo la forma de un cristal

Un ion es un átomo o grupo de átomos cargado eléctricamente. Un ion positivo es un catión y un ion negativo es un anión.

La formación de los iones a partir de los átomos es, en esencia, un proceso de pérdida o ganancia de electrones.

·       Electrón

Los electrones son mucho más pequeños que los neutrones y protones. La masa de un simple neutrón o protón es más de 1 800 veces mayor que la masa de un electrón. El tiene una masa de 9.11 x 10^-28 gramos.

Los electrones tienen una carga eléctrica negativa, con una magnitud llamada algunas veces carga elemental o carga fundamental. Por esto se dice que un electrón tiene una carga de -1. Los protones tienen una carga del mismo valor, pero con polaridad opuesta, es decir +1. La carga fundamental tiene un valor de 1.602 x 10^-19 coulombio.

Un átomo neutro tiene igual número de electrones y protones. Los electrones forman una nube alrededor del pequeño y denso núcleo, compuesto de neutrones y protones. Los electrones cargados negativamente son atraídos hacia el núcleo por los protones cargados positivamente. Algunas veces, los electrones se pueden liberar del átomo, llevando consigo su carga negativa y siguiendo a un ion con una carga neta positiva.

 

•       Conductores y Aisladores

Una varilla metálica sostenida en la mano y frotada con una piel no manifiesta estar cargada. Sin embargo, es posible cargar esa varilla si se le provee de un mango de vidrio o ebonita y si el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que los metales, el cuerpo y la tierra son conductores de la electricidad y que el vidrio, la ebonita o los plásticos son aisladores (también llamados dieléctricos)

Conductores

Conductores son todos aquellos materiales o elementos que permiten que los atraviese el flujo de la corriente o de cargas eléctricas en movimiento. Si establecemos la analogía con una tubería que contenga líquido, el conductor sería la tubería y el líquido el medio que permite el movimiento de las cargas.  

Cuando se aplica una diferencia de potencial a los extremos de un trozo de metal, se establece de inmediato un flujo de corriente, pues los electrones o cargas eléctricas de los átomos que forman las moléculas del metal, comienzan a moverse de inmediato empujados por la presión que sobre ellos ejerce la tensión o voltaje. 

                                                                     

Semiconductores

Hay una clase de materiales, llamados semiconductores, que es intermedia entre los conductores y los aisladores por lo que se refiere a su facultad para conducir electricidad.

Entre esos elementos o materiales se encuentran el silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge).

Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder electrones cuando los atraviesa una corriente eléctrica y su característica principal es dejarla pasar en un solo sentido e impedirlo en sentido contrario. El cristal de silicio es el elemento más utilizado en la actualidad  como material semiconductor  para fabricar diodos, transistores, circuitos integrados y los microprocesadores que utilizan los ordenadores o computadoras personales, así como otros dispositivos digitales.

Aislantes
Por último están los materiales aislantes, cuyos átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.

 

•       Carga por inducción

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.

 

Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre.
Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento de la cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos.

•       Ley de Coulomb

La ley de Coulomb establece que: 

La fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales (q1 y q2), separadas una distancia r, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, es decir, va disminuyendo rápidamente a medida que se alejan las cargas entre sí.

Por convenio, las cargas son proporcionales a las fuerzas; por tanto, las fuerzas son proporcionales a las cargas. Los resultados se expresan por la formula de Coulomb.

El coeficiente de proporcionalidad depende:

•    Del sistema de unidades elegido
•    Del medio que rodea las cargas

Por lo tanto, se decide utilizar el S.I. para las dos magnitudes mecánicas (F y r) que figuran en la formula de Coulomb.

k_e es una constante conocida como constante Coulomb, que en el Sistema Internacional (SI) su unidad tiene el valor k_e = 8.987x10⁹ Nm²/C².

Esta constante también se escribe en la forma: 

 

 Es la constante conocida como permitividad en el espacio libre y su valor es 8.8542x10^-12 C²/Nm².

•       Coulomb  

El coulomb es la unidad estándar de carga eléctrica.

Uno de Coulomb se define como la cantidad de carga transportada por un amperio de corriente en un segundo.

La unidad de carga mks es el coulomb (abreviado coul). Un coulomb se define como la cantidad de carga que pasa por una sección transversal dada de un alambre en un segundo se circula por el alambre una corriente constante de 1 ampere.

Expresado en símbolos:

q =  esta en Coulomb

i = amperes

t = segundos

Ejemplo

Determinar la fuerza que actúa sobre las cargas eléctricas q₁ = + 1 x 10^-6 C. y q₂ = + 2,5 x 10^-6 C. que se encuentran en reposo y en el vacío a una distancia de 5 cm.

Resolución:

 Para calcular la fuerza de interacción entre dos cargas eléctricas puntuales en reposo recurriremos a la ley de Coulomb por lo tanto previo transformar todas las magnitudes en juego a unidades del sistema internacional de medidas nos queda que:

Como la respuesta obtenida es de signo positivo nos está indicando que la fuerza es de repulsión.

Respuesta:

 La fuerza de repulsión tiene un módulo de 9 N. pero debemos indicar además en un esquema gráfico las demás características del vector tal como se indica en el gráfico.