Revista fisica

ALLonIN

Cargas Eléctricas Campos Eléctricos

Ley de Coulomb

Ley de Gauss

CARGAS ELECTRICAS Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas.

La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de lafísica. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.

En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio o coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio.

C A R G A S Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar con una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeñas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de Mileto (ca. 639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.

El médico inglés William Gilbert (15401603) observó que algunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los términos electricidad y carga eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.

E L É C T R I C A S

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó (+) y (-)

C A R G A S

PROPIEDADES

E L É C T R I C A S

Principio de conservación de la carga El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación de las cargas eléctricas.

Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.

Invariante relativista

Otra propiedad de la carga eléctrica es que es un invariante relativista.

Eso quiere decir que todos los observadores, sin importar su estado de movimiento y su velocidad, podrán siempre medir la misma cantidad de carga. Así, a diferencia del espacio, el tiempo, la energía o el momento lineal, cuando un cuerpo o partícula se mueve a velocidades comparables con la velocidad de la luz, el valor de su carga no variará. El valor de la carga no varía de acuerdo a cuán rápido se mueva el cuerpo que la posea.

DENSIDAD Se llama densidad de carga eléctrica a la cantidad de carga eléctrica por unidad de longitud, área o volumen que se encuentra sobre una línea, una superficie o una región del espacio, respectivamente.

Por lo tanto se distingue en estos tres tipos de densidad de carga. Se representaría con las letras griegas lambda (λ), para densidad de carga lineal,sigma (σ), para densidad de carga superficial y ro (ρ), para d e n s i d a d d e c a rg a v o l u m é t r i c a .

Puede haber densidades de carga tanto positivas como negativas. No se debe confundir con la densidad de portadores de carga.

Carga Lineal

C A R G A S E L É C T R I C A S

Se usa en cuerpos lineales como, por ejemplo hilos.

Carga Superficial

Carga Volumétrica

Se emplea para cuerpos que tienen volumen.

Se emplea para superficies, por ejemplo una plancha metálica delgada como el papel de aluminio.

CAMPO ELECTRICO Es u senta n camp o d desc o media físico q r u pos ibe la in nte un m e es repr y sis terac eo d e t l c natu ralez emas con ión entr o que e cu a elé p r o erpieda ctric a. des d e

ORIGEN Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto encargas eléctricas como encampos magnéticos variables.

Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético.

C A M P O S

Expresiones Campo electrostático (cargas en reposo) Un caso especial del campo eléctrico es el denominado electrostático.

Un campo electrostático no depende del tiempo, es

decir es estacionario. Para este tipo de campos la Ley de Gauss todavía tiene validez debido a que esta no tiene ninguna

consideración temporal, sin embargo, la Ley de Faraday debe ser modificada.

E L É C T I C O S

Líneas de campo Un campo eléctrico estático puede ser representado geométricamente con líneas tales que en cada punto el campo vectorial sea tangente a dichas líneas, a estas líneas se las conoce como "líneas de campo". Matemáticamente las líneas de campo son las curvas integrales del campo vectorial. Las líneas de campo se utilizan para crear una representación gráfica del campo, y pueden ser tantas como sea necesario visualizar.

Las líneas de campo son líneas perpendiculares a la superficie del cuerpo, de manera que su tangente geométrica en un punto coincide con la dirección del campo en ese punto. Esto es una consecuencia directa de la ley de Gauss, es decir encontramos que la mayor variación direccional en el campo se dirige perpendicularmente a la carga. Al unir los puntos en los que el campo eléctrico es de igual magnitud, se obtiene lo que se conoce como superficies equipotenciales, son aquellas donde el potencial tiene el mismo valor numérico. En el caso estático al ser el campo eléctrico un campo irrotacional las líneas de campo nunca serán cerradas (cosa que sí puede suceder en el caso dinámico, donde el rotacional del campo eléctrico es igual a la variación temporal del campo magnético cambiada de signo, por tanto una línea de campo eléctrico cerrado requiere un campo magnético variable, cosa imposible en el caso estático).

Campo electrodinámico (movimiento uniforme)

El campo eléccampo más intenso trico creado por una carga pun- en el plano perpendicular a la vetual presenta isotropía espacial, locidad de acuerdo a las predicen cambio, el campo creado por ciones de la teoría de la relativiuna carga en movimiento tiene un dad.

Charles-Augustin d e C o u lomb (Angoulême, Francia, 14 de junio de 1736 París, Francia, 23 de agosto de 1806) fue un físicoe ingenier o francés.

Se lo recuerda por haber descrito de manera matemática la ley de atracción entre cargas eléctricas.

En su honor la unidad decarga

eléctrica lleva el tigaciones son o m b r e bre: magnetismo, f de coulomb (C). ricción y electricida d. Sus investigaEntre otras teorías ciones científicas y estudios se le están recogidas en debe la teoría de siete memorias, en la torsión recta y las que expone un análisis del fallo teóricamente los del terreno dentro fundamentos del de la Mecánica de magnetismo y de suelos. la electrostática.

Fue el primer En 1777 inventó científico en esta- la balanza de torblecer las leyes sión para medir la cuantitativas de la fuerza de atrace l e c t r o s t á t i c a , ción o repulsión además de reali- que ejercen entre zar muchas inves- sí dos cargas eléc-

tricas, y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocido como ley de Coulomb.

L E Y DE

C O U L O M B

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

ENUNCIADO La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática.

LEY DE GAUSS Establece que el flujo de ciertos campos a través de una superficie cerrada es proporcional a la magnitud de las fuentes de dicho campo que hay en el interior de dicha superficie.

La ley fue formulada por Carl ra el magnetismo, la ley de FaraFriedrich Gauss en 1835, pero no day de la inducción y la ley de fue publicado hasta 1867. Es una Ampère con la corrección de Maxde los cuatro ecuaciones de Max- well. La ley de Gauss puede ser well, que forman la base utilizada para obtener la ley de de electrodinámica clásica (las Coulomb, y viceversa. otras tres son la ley de Gauss pa-

INTEGRANTES

Calderin José C.I 25.999.930 Guzmán Franz C.I 26.501.318 Salazar Milagros C.I 25.967.005