Electrosttica

Electrosttica

La electrosttica es la rama de la fsica que estudia los fenmenos elctricos producidos por distribuciones de cargas estticas, esto es, el campo electrosttico de un cuerpo cargado.

Histricamente la electrosttica fue la rama del electromagnetismo que primero se desarroll. Con la postulacin de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorios a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicacin permitiendo demostrar cmo las leyes de la electrosttica y las leyes que gobernaban los fenmenos magnticos pueden ser estudiados en el mismo marco terico denominado electromagnetismo.

La existencia del fenmeno electrosttico es bien conocido desde la antigedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forma parte de la enseanza moderna; como el de comprobar como ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura y atraen, por ejemplo, pequeos trozos de papel o pelo a un globo que previamente se ha frotado con un pao.

Electricidad esttica

La electricidad esttica es un fenmeno que se debe a una acumulacin de cargas elctricas en un objeto. Esta acumulacin puede dar lugar a una descarga elctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

Antes del ao 1832, que fue cuando Michael Faraday public los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los fsicos pensaban que la "electricidad esttica" era algo diferente de las otras cargas elctricas. Michael Faraday demostr que la electricidad inducida desde un imn, la electricidad producida por una batera, y la electricidad esttica son todas iguales.

La electricidad esttica se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plstico 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 energticos ms favorables, o cuando partculas ionizadas se depositan en un material, como por ejemplo, ocurre en los satlites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiacin de Van Allen. La capacidad de electrificacin de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboelctrico, existiendo una clasificacin de los distintos materiales denominada secuencia triboelctrica.

La electricidad esttica se utiliza comnmente en la xerografa, en filtros de aire, y algunas pinturas de automocin. Los pequeos componentes de los circuitos elctricos pueden daarse fcilmente con la electricidad esttica. Los fabricantes usan una serie de dispositivos antiestticos para evitar los daos.

Generadores Electroestticos

Los generadores de electricidad esttica son mquinas que producen altsimos voltajes con una muy pequea intensidad de corriente. Se utilizan en demostraciones escolares de fsica. Ejemplos de tales generadores son la Mquina de Wimshurst y el Generador de Van de Graaff.

Al frotar dos objetos no conductores se genera una gran cantidad de electricidad esttica. Este efecto no se debe a la friccin pues dos superficies no conductoras pueden cargarse por efecto de posarse una sobre la otra. Se debe a que al frotar dos objetos aumenta el contacto entre las dos superficies. Habitualmente los aislantes son buenos para generar y para conservar cargas superficiales. Algunos ejemplos de estas sustancias son el caucho, el plstico o el vidrio. Los objetos conductores raramente generan desequilibrios de cargas, excepto, por ejemplo, cuando una superficie metlica recibe el impacto de un slido o un lquido no conductor. La carga que se transfiere durante la electrificacin por contacto se almacena a la superficie de cada objeto, a fin de estar lo ms separada posible y as reducir la repulsin entre las cargas.

Carga inducida

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una regin en el segundo objeto que est ms cargada positivamente, crendose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendr pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga elctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse, creando una superficie de carga positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo).

En los efectos elctricos cotidianos, no los de los aceleradores de partculas, solamente se mueven los electrones. La carga positiva del tomo, dada por los protones, permanece inmvil.

Carga ElctricaEn fsica, carga elctrica es una propiedad intrnseca de algunas partculas subatmicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnticas entre ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos electromagnticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interaccin entre carga y campo elctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interaccin electromagntica.

La carga elctrica es de naturaleza discreta, fenmeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones histricas, los electrones tienen carga -1, tambin notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria 1/3 o 2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.[1]En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una seccin en 1 segundo cuando la corriente elctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,241018 electrones aproximadamente.

Ley de CoulombLa ecuacin fundamental de la electrosttica es la ley de Coulomb, que describe la fuerza entre dos cargas puntuales Q1 y Q2. Dentro de un medio homogneo como es el aire, la relacin se expresa como:

Donde F es la fuerza, es una constante caracterstica del medio, llamada la permitividad. En el caso del vaco, se denota como 0. La permitividad del aire es solo un 0,5 superior a la del vaco, por lo que a menudo se usan indistintamente.

Las cargas del mismo signo se repelen entre s, mientras que las cargas de signo opuesto se atraen entre s. La fuerza es proporcional al producto de las cargas elctricas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre las cargas.

La accin a distancia se efecta por medio del campo elctrico existente en el punto en el cual est situado cada carga.

Campo ElctricoEl campo elctrico (en unidades de voltios por metro) se define como la fuerza (en newtons) por unidad de carga (en coulombs). De esta definicin y de la ley de Coulomb, se desprende que la magnitud de un campo elctrico E creado por una carga puntual Q es:

Ley de GaussLa ley de Gauss establece que el flujo elctrico total a travs de una superficie cerrada es proporcional a la carga elctrica total encerrada dentro de la superficie. La constante de proporcionalidad es la permitividad del vaco.

Matemticamente, la ley de Gauss toma la forma de una ecuacin integral:

Alternativamente, en forma diferencial, la ecuacin es: