CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO (5)

5. La energía electrostática

5.1. Trabajo y energía potencial electrostática.

La idea de energía potencial, como forma de energía asociada a la posición de los cuerpos, está presente también en los campos eléctricos. Así, una carga q negativa situada en un punto p a una distancia r de otra carga central positiva Q acumula en esa posición una cierta energía potencial, energía que podría liberarse si se dejara en libertad, ya que se desplazaría hacia Q por efecto de la fuerza atractiva. Situarla de nuevo en la posición inicial supondría la realización de un trabajo en contra de la fuerza atractiva ejercida por Q. Este trabajo exterior a las fuerzas del campo se invierte precisamente en aumentar su energía potencial E_p y puede escribirse en la forma

(5.1) W_e = E_p(final) − E_p(inicial) = ΔE_p

Como sucede cuando se tira de un cuerpo sujeto a un muelle y a continuación se suelta, el trabajo eléctrico podría ser recuperado si la carga q se dejara en libertad, es decir, si no se la obligara a ocupar la posición definida por el punto p. Según la ecuación (5.1), el trabajo We tendrá el signo de E_p. Un desplazamiento de la carga q que suponga un aumento en su energía potencial, E_p(final) > E_p(inicial), corresponderá a un trabajo positivo, es decir, un trabajo realizado por fuerzas exteriores al campo. Por contra, un desplazamiento de q que lleve consigo una disminución de su energía potencial, E_p(final) < E_p(inicial), habrá sido efectuada por las fuerzas del campo con la realización de un trabajo negativo.

Este criterio de signos considera el trabajo positivo cuando lleva asociado una ganancia de energía potencial y negativo cuando se efectúa a expensas de una disminución de la energía potencial de la carga considerada.

5.2. Potencial electrostático en un punto.

Del mismo modo que se introduce la noción de intensidad de campo eléctrico _Ẻ para referir las fuerzas electrostáticas a la unidad de carga positiva, es posible hacer la misma operación con la energía potencial. Si se desea comparar, en términos de

CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO (4)

4. La superposición de los campos eléctricos

     La descripción de la influencia de una carga aislada en términos de campos puede generalizarse al caso de un sistema formado por dos o más cargas y extenderse posteriormente al estudio de un cuerpo cargado. La experiencia demuestra que las influencias de las cargas aisladas que constituyen el sistema son aditivas, es decir, se suman o superponen vectorialmente. 

   Así, la intensidad de campo Ẻ en un punto cualquiera del espacio que rodea dos cargas Q1 y Q2 será la suma vectorial de las intensidades Ẻ1 y Ẻ2 debidas a cada una de las cargas individualmente consideradas.

Este principio de superposición se refleja en el mapa de líneas de fuerza correspondiente. Tanto si las cargas son de igual signo como si son de signos opuestos, la distorsión de las líneas de fuerza, respecto de la forma radial que tendrían si las cargas estuvieran solitarias, es máxima en la zona central, es decir, en la región más cercana a ambas. Si las cargas tienen la misma magnitud, el mapa resulta simétrico respecto de la línea media que separa ambas cargas. En caso contrario, la influencia en el espacio, que será predominante para una de ellas, da lugar a una distribución asimétrica de líneas de fuerza.

<<  Anterior       Siguiente >>

CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO (3)

Antes que nada disculpen que me tarde tanto para seguir con el tema pero la verdad tuve algunos examenes y no tenia el tiempo para poder postear pero bueno espero que sea de su agrado.

3. El campo eléctrico

3.1. El concepto físico de campo.
Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea.
La noción física de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. En el caso de que se trate de un campo de fuerzas ´este viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia.
Así, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea a La Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sitúa, a modo de detector, un cuerpo (de pequeña masa, para que no modifique considerablemente la posición de las masas que originaron el campo) de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que La Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo análogo la física introduce la noción de campo magnético y también la de campo eléctrico o electrostático.

3.2. El campo eléctrico.
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un

CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO (2)

2. La ley de Coulomb
Aún cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de Charles A. Coulomb (1736–1806), no se conocía aún la función en la que esas fuerzas de atracción y de repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras poner a punto un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos cargados y en reposo (o con un movimiento muy pequeño).
Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales) y en reposo o con movimiento muy pequeño, la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une.
2.1. La interpretación de la ley de Coulomb.
La expresión matemática de la ley de Coulomb es:
      (2.1)                            
en donde q1 y q2 corresponden a los valores de las cargas que interaccionan tomadas con su signo positivo o negativo, r representa la distancia que las separa supuestas concentradas cada una de ellas en un punto y

CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO (1)

1. Fenómenos electrostáticos
   

    1.1. Electrización. 

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado o electrificado. La electrización por frotamiento permitió, a través de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretación de las mismas cada vez más completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrostática. Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana, se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de seda.

Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar electrizadas se repelen entre  sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio y viceversa.

Este tipo de experiencias llevaron a W. Gilbert (1544–1603) a distinguir, por primera vez, entre la electricidad que adquiere el vidrio y la que adquiere el ámbar.
Posteriormente Franklin, al tratar de explicar los fenómenos eléctricos considero la electricidad como un ((fluido sutil)), llamo a la electricidad ((vítrea)) de Gilbert, electricidad positiva (+); y a la ((resinosa)), electricidad negativa (−). 

Las experiencias de electrización pusieron de manifiesto que: 

Cargas eléctricas de distinto signo (o de distinta naturaleza, mejor dicho) se atraen

Cargas eléctricas de igual signo (o de la misma naturaleza, mejor dicho) se repelen

Una experiencia sencilla sirvió de apoyo a Franklin para avanzar en la descripción de la carga eléctrica como propiedad de la materia. Cuando se frota la barra de vidrio con el paño de seda, se observa que tanto una como otro se electrizan ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un tercer cuerpo cargado.

Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la barra con el paño de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior. Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto paño-barra se comporta como si no lo estuviera, manteniendo una neutralidad eléctrica.

Este fenómeno fue interpretado por Franklin introduciendo el principio de conservación de la carga eléctrica, según el cual cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro, pero en conjunto no hay producción neta de carga. En términos de cargas positivas y negativas ello significa que la aparición de una carga negativa en el vidrio va acompañada de otra positiva de igual magnitud en el paño de lana, o viceversa, de modo que la suma de ambas sea cero.

Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia, por influencia o por inducción. Si el cuerpo cargado lo está positivamente, la parte del cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva.

La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior, este tipo de electrización es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro.

1.2. La naturaleza eléctrica de la materia. 

La teoría atómica moderna explica el porqué de los fenómenos de electrización y hace de la carga eléctrica una propiedad fundamental de la materia en todas sus formas. Un átomo de cualquier sustancia está constituido, en esencia, por una región central o núcleo y una envoltura externa (denominada corteza) formada por electrones.

El núcleo está formado por dos tipos de partículas: los protones, dotados de carga eléctrica positiva; y los neutrones, sin carga eléctrica aunque con una masa semejante a la del protón.3 Los protones y neutrones se hallan unidos entre sí por efecto de unas fuerzas mucho más intensas que las de la repulsión electrostática (las fuerzas nucleares) formando un todo compacto. Su carga total (la del núcleo) es positiva debido a la presencia de los protones.

Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones (unas 1840 veces más ligeras, aproximadamente) y tienen carga eléctrica negativa. La carga de un electrón es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón.

Las fuerzas eléctricas atractivas que experimentan los electrones respecto del núcleo, hace que éstos se muevan en torno a él en una situación que podría ser

CARGAS ELÉCTRICAS EN REPOSO

Resumen.

La carga eléctrica constituye una propiedad fundamental de la materia.

Se manifiesta a través de ciertas fuerzas, denominadas electrostáticas, que son las responsables de los fenómenos eléctricos. Su influencia en el espacio puede describirse con el auxilio de la noción física de campo de fuerzas. El concepto de potencial hace posible una descripción alternativa en términos de energías, de dicha influencia.

Introducción
El término eléctrico, y todos sus derivados, tiene su origen en las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filósofo griego que vivió en el siglo VI a.C. Tales estudió el comportamiento de una resina fósil, el ámbar (transcrito del término griego elektron), observando que cuando era frotada con un paño de lana adquiría la propiedad de atraer hacia sí pequeños cuerpos ligeros; los fenómenos análogos a los producidos por Tales con el ámbar se denominaron fenómenos eléctricos y más recientemente fenómenos electrostáticos.

La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia. Se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo o con movimiento despreciable a efectos de que casi no se observan fenómenos magnéticos por parte de esas cargas. El desarrollo de la teoría atómica permitió aclarar el origen y la naturaleza de los fenómenos electromagnéticos; la noción de fluido eléctrico, introducida por Benjamin Franklin (1706–1790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios de siglo al descubrirse que la materia está compuesta íntimamente de átomos y estos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas.

Como sucede con otros capítulos de la física, el interés de la electrostática reside no solo en que describe las características de unas fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas. Desde el pararrayos hasta la televisión, una amplia variedad de dispositivos científicos y técnicos están relacionados con los fenómenos electrostáticos.

Siguiente >>

Teoría de Einstein puede Explican explosiones cósmicas

Científicos lograron reconstruir la secuencia donde la formación de un agujero negro deriva en una potentísima radiación gravitatoria que desemboca en la mayor explosión cósmica.

La colisión de estrellas de neutrones produce potentísimos destellos de luz gama y también ondas gravitatorias en el espacio que, a pesar de haber sido predichas por Einstein, no habían sido todavía detectadas. Su comprensión nos acercaría, posiblemente, a las claves de una inagotable fuente de energía procedente de la acreción de agujeros negros. Un equipo internacional de investigadores que trabaja con Miguel A. Aloy (Universidad de Valencia), acaba de aportar resultados muy valiosos para dar respuesta a este enigma de la astrofísica.

Este proyecto de los superordenadores del Instituto Max-Planck de Física Gravitacional, que hoy publica la revista Astrophysical Journal Letters y del que informó en un comunicado la Universidad de Valencia, responde a uno de los fundamentos astrofísicos de la Teoría de la Relatividad de Einstein que aún no había sido resuelto.

La primera erupción de rayos gamma fue observada por casualidad. A finales de los años 60, un satélite espía americano que estaba buscando pruebas de ensayos de bombas atómicas sobre la tierra, detectó la primera erupción de rayos gamma (ERG). No procedía de la Tierra, sino del espacio exterior. Entre 1991 y la fecha de finalización de su misión en junio 2000, el satélite americano Compton registró alrededor de una ERG al día-aunque la causa de estas gigantescas explosiones cosmológicas seguía siendo un misterio.

Miguel A. Aloy, investigador principal del