ELECTROSTÁTICA
La electrostática es la rama de la física que analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en equilibrio. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen. Históricamente, la electrostática fue la primera rama del electromagnetismo en desarrollarse. Con la postulación de la ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser analizadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.
La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.
Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales.
La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables.
La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, en algunas pinturas de automóvil, en algunos aceleradores de partículas subatómicas, etc. Los pequeños componentes de los circuitos electrónicos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática.
Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio o de plástico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano.
Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.
En contrapartida de los conductores eléctricos, existen materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio y los plásticos son ejemplos típicos.
Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras se modifican mediante la adición de una minúscula cantidad de sustancias dopantes. Con esto se consigue que pueda variarse la conductividad del material semiconductor como respuesta a la aplicación de un potencial eléctrico variable en su electrodo de control.
Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores.
Unidad de carga eléctrica:
La mínima unidad de carga eléctrica es la carga del e - .
e-= 1,6 x 10 -19 C 1C = 6,25 x 10 18 cargas del e -
1C = 1.000 mC = 1.000.000 μC
Aplicaciones:
La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía en la que un pigmento en polvo (tinta seca o tóner) se fija en las áreas cargadas previamente, lo que hace visible la imagen impresa.
En electrónica, la electricidad estática puede causar daños a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de plástico. Las tensiones generadas así serán más altas en los días con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad por frotamiento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de descargar estas cargas electrostáticas.
Al aterrizar un avión se debe proceder a su descarga por seguridad. En los automóviles también puede ocurrir la electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo produce menores cargas), por lo que también se necesitan medidas de seguridad para evitar las chispas eléctricas.
Se piensa que la explosión en 2003 de un cohete en el Centro de Lanzamiento de Alcántara en Brasil, que mató a 21 personas, se debió a chispas originadas por electricidad estática.
Conceptos matemáticos fundamentales:
La ley de Coulomb:
La ecuación fundamental de la electrostática es la ley de Coulomb, que describe la fuerza entre dos cargas puntuales q1 y q 2 .
Dentro de un medio homogéneo como es el aire, la relación se expresa como:
F= q1 x q2d2
Donde:
F= Fuerza de atracción o repulsión entre las cargas, medida en Newton (N)
k= Constante de proporcionalidad que depende del medio que rodea las cargas eléctricas, y cuyo valor en el vacío es 9 x 10 9 N m 2 / C 2 .
q 1 y q 2 = Cargas eléctricas medidas en Coulomb.
d= distancia que separa a las cargas eléctricas, medida en metros.
Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las cargas de signo opuesto se atraen entre sí. Las fuerzas de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas son proporcionales al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las mismas.
La acción a distancia se efectúa por medio del campo eléctrico.
El campo eléctrico:
Región del espacio que rodea un cuerpo cargado donde se manifiestan fuerzas eléctricas.
Resuelve los siguientes ejercicios:
1) Citar dos ejemplos de materiales: Conductores, Semiconductores, Aislantes
2) Completar
3) Dos cargas eléctricas positivas, una de 2 μC y otra de 5 μC están separadas por dos metros de distancia. Calcular con qué fuerza se repelen en el vacío k= 9 x 109 N x m 2 / C 2 . Rta: 2,25 x 10 -2 N.
4) Dos cargas eléctricas iguales del mismo signo están en el vacío a una distancia de 15 cm. Si la fuerza de repulsión entre ambas es de 40 N, calcula la carga de cada una. Rta: 1 10 -5 C
5) Averiguar a qué distancia en centímetros se encuentran dos cargas una de 7 µC y otra de 12 µC si se encuentran en el vacío y se atraen con una fuerza de 36 N. Rta: 15,5 cm.
6) Qué valor tendrá la constante de proporcionalidad si, dos cargas una de 25 µC y la otra de 1,5 mC ambas
positivas, a una distancia de 42 centímetros se repelen con una fuerza de 25N. 1,176 x 10 9 N m2/C2
Les dejo un link donde les resuelven un problema para guiarse. https://youtu.be/nVoWS69u_yQ
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