Electrostática

Electrostática
rama de la física

Benjamin Franklin faciendo un esperimentu con un rayu, que nun ye otra cosa qu'un fenómenu electrostático macroscópico.

La electrostática ye la caña de la Física qu'analiza los efeutos mutuos que se producen ente los cuerpos de resultes de la so carga llétrica, esto ye, l'estudiu de les cargues llétriques n'equilibriu. La carga llétrica ye la propiedá de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, que los sos efeutos apaecen en forma d'atraiciones y repulsiones ente los cuerpos que lu tienen.

Históricamente, la electrostática foi la caña del electromagnetismu que primero se desenvolvió. Cola postulación de la llei de Coulomb foi descrita y utilizada n'esperimentos de llaboratoriu a partir del sieglu XVII, y yá na segunda metá del sieglu XIX les lleis de Maxwell concluyeron definitivamente'l so estudiu y esplicación, y dexaron demostrar cómo les lleis de la electrostática y les lleis que gobiernen los fenómeno magnéticos pueden ser analizaes nel mesmu marcu teóricu denomináu electromagnetismu.

Desarrollu históricu

Representación de campu llétrico producíu por dos cargues.

Alredor del añu 600 e.C. , el filósofu griegu Tales de Mileto afayó que si estregaba un cachu de la resina vexetal fósil llamada ámbare, en griegu élektron, esti cuerpu adquiría la propiedá d'atraer pequeños oxetos. Daqué más tarde, otru griegu, Teofrasto (310 e.C. ), realizó un estudiu de los distintos materiales que yeren capaces de producir fenómenos llétricos y escribió'l primer tratáu sobre la lletricidá.

A principios del sieglu XVII empiecen los primeros estudios sobre la lletricidá y el magnetismu empobinaos a ameyorar la precisión de la navegación con brúxules magnétiques. El físicu real británicu William Gilbert utiliza per primer vegada la pallabra lletricidá, creada a partir del términu griegu elektron (ámbare). El xesuita italianu Niccolo Cabeo analizó los sos esperimentos y foi'l primeru en comentar qu'había fuercies d'atraición ente ciertos cuerpos y de repulsión ente otros.

Alredor de 1672 el físicu alemán Otto von Guericke constrúi la primer máquina electrostática capaz de producir y almacenar enerxía llétrica estática per esfregadura. Esta máquina consistía nuna bola d'azufre travesada por una baniella que sirvía pa faer xirar la bola. Les manes aplicaes sobre la bola producíen una carga mayor que la consiguida hasta entós. Francis Hawksbee perfeccionó escontra 1707 la máquina de resfregón usando una esfera de vidriu.

En 1733 el francés Francois de Cisternay du Fay propunxo la esistencia de dos tipos de carga llétrica, positiva y negativa, constatando que:

• Los oxetos estregaos contra l'ámbare se repelen.
• Tamién se repelen los oxetos estregaos contra una barra de vidriu.
• Sicasí, los oxetos estregaos col ámbare atraen los oxetos estregaos col vidriu.

Du Fay y Stephen Gray fueron dos de los primeres "físicos llétricos" en frecuentar places y salones pa popularizar y entretener cola lletricidá. Por casu, se electriza a les persones y prodúcense descargues llétriques dende elles, como nel llamáu besu llétricu: electrificar a una dama y depués ella daba un besu a una persona non electrificada.^[1]

En 1745 construyéronse los primeros elementos d'acumuladura de cargues, los condensadores, llamaos incorreutamente por anglicismu capacitores, desenvueltos na Universidá de Leyden (güei Leiden) por Ewald Jürgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck. Estos preseos, primeramente denominaos botelles de Leyden, fueron utilizaos como interés científicu mientres gran parte del sieglu XVIII. Nesta dómina construyéronse distintos preseos p'atropar cargues llétriques, polo xeneral variantes de la botella de Leyden, y otros pa manifestar les sos propiedaes, como los electroscopios.

En 1767, Joseph Priestley publicó la so obra The History and Present State of Electricity sobre la hestoria de la lletricidá hasta esa fecha. Esti llibru sería mientres un sieglu'l referente pal estudiu de la lletricidá. Nél, Priestley anuncia tamién dalgunu de los sos propios descubrimientos, como la conductividá del carbón. Hasta entós pensábase que solo l'agua y los metales podíen conducir la lletricidá.^[2]

En 1785 el físicu francés Charles Coulomb publicó un tratáu nel que se describíen per primer vegada cuantitativamente les fuercies llétriques, formulábense les lleis d'atraición y repulsión de cargues llétriques estátiques y usábase la balanza de torsión pa realizar midíes. Nel so honor, el conxuntu d'estes lleis conocer col nome de llei de Coulomb. Esta llei, xunto con una ellaboración matemática más fonda al traviés del teorema de Gauss y la derivación de los conceutos de campu llétrico y potencial llétricu, describe la cuasi totalidá de los fenómenos electrostáticos.

Mientres tol sieglu posterior asocediéronse meyores significatives nel estudiu de la lletricidá, como los fenómenos llétricos dinámicos producíos por cargues en movimientu nel interior d'un material conductor. Finalmente, en 1864 el físicu escocés James Clerk Maxwell unificó les lleis de la lletricidá y el magnetismu nun conxuntu amenorgáu de lleis matemátiques.

Lletricidá estática

Artículu principal: Lletricidá estática

La lletricidá estática ye un fenómenu que se debe a una acumuladura de cargues llétriques nun oxetu. Esta acumuladura puede dar llugar a una descarga llétrica cuando dichu oxetu poner en contautu con otru.

Antes del añu 1832, que foi cuando Michael Faraday publicó los resultaos de los sos esperimentos sobre la identidá de la lletricidá, los físicos pensaben que la lletricidá estática yera daqué distinta de la lletricidá llograda por otros métodos. Michael Faraday demostró que la lletricidá inducida dende un imán, la lletricidá producida por una batería, y l'lletricidá estática son toes iguales.

La lletricidá estática produzse cuando ciertos materiales estréguense unu contra l'otru, como llana contra plásticu o les suelas de zapatos contra l'alfombra, onde'l procesu de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie d'un material y reasítiense na superficie del otru material qu'ufierta niveles enerxéticos más favorables. O cuando partícules ionizadas depositar nun material, como asocede nos satélites al recibir el fluxu del vientu solar y de los petrines de radiación de Van Allen. La capacidá d'electrificación de los cuerpos por esfregadura denominar efeutu triboeléctrico; esiste una clasificación de los distintos materiales denomada secuencia triboeléctrica.

La lletricidá estática utilízase comúnmente na xerografía, en filtros d'aire, en delles pintures d'automóvil, en dalgunos aceleradores de partícules subatómiques, etc. Los pequeños componentes de los circuitos eléctrónicos pueden estropiase fácilmente cola lletricidá estática. Los sos fabricantes usen una serie de dispositivos antiestáticos y embalaxes especiales pa evitar estos daños. Güei la mayoría de los componentes semiconductores d'efeutu de campu, que son los más delicaos, inclúin circuitos internos de proteición antiestática.

Aislantes y conductores

Los materiales portar de forma distinta nel momentu d'adquirir una carga llétrica. Asina, una baniella metálica sostenida cola mano y estregada con una piel nun resulta cargada. Sicasí, sí ye posible cargala cuando al estregala usar pa sostenela un mangu de vidriu o de plásticu y el metal nun se toca coles manes al estregalo. La esplicación ye que les cargues pueden movese llibremente ente'l metal y el cuerpu humanu, lo que les diría descargando en cuanto produxérense, ente que'l vidriu y el plásticu nun dexen la circulación de cargues porque aisllen llétricamente la baniella metálica del cuerpu humanu.

Esto debe a qu'en ciertos materiales, típicamente nos metales, los electrones más alloñaos de los nucleos respeutivos adquieren fácilmente llibertá de movimientu nel interior del sólidu. Estos electrones llibres son les partícules que van tresportar la carga llétrica. Al depositar electrones nellos, distribuyir por tol cuerpu, y viceversa, al perder electrones, los electrones llibres se redistribuyen por tol cuerpu pa compensar la perda de carga. Estes sustancies denominar conductores.

En contrapartida de los conductores llétricos, esisten materiales nos que los electrones tán firmemente xuníos a los sos respeutivos átomos. Arriendes d'ello, estes sustancies nun tener electrones llibres y nun va ser posible'l desplazamientu de carga al traviés d'ellos. Al depositar una carga llétrica nellos, la lletrización caltiénse llocalmente. Estes sustancies son denominaes aislantes o dieléctricos. El vidriu y los plásticos son exemplos típicos.

La distinción ente conductores y aislantes nun ye absoluta: la resistencia de los aislantes nun ye infinita (pero sí bien grande), y les cargues llétriques llibres, práuticamente ausentes de los bonos aislantes, pueden crease fácilmente suministrando la cantidá fayadiza d'enerxía pa dixebrar a un electrón del átomu al que tea amestáu (por casu, por aciu irradiación o calentamientu). Asina, a una temperatura de 3000 K, tolos materiales que nun se descomponen pola temperatura, son conductores.

Ente los bonos conductores y los dieléctricos esisten múltiples situaciones entemedies. Ente elles destaquen los materiales semiconductores pola so importancia na fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de l'actual revolución teunolóxica. En condiciones ordinaries pórtense como dieléctricos, pero les sos propiedaes conductores modificar por aciu la adición d'una minúscula cantidá de sustancies dopantes. Con esto consíguese que pueda variase la conductividá del material semiconductor como respuesta a l'aplicación d'un potencial llétricu variable nel so electrodu de control.

Ciertos metales adquieren una conductividá infinita a temperatures bien baxes, esto ye, la resistencia al fluxu de cargues fai cero. Trátase de los superconductores. Una vegada que s'establez una corriente llétrica de circuitu zarráu nun superconductor, los electrones flúin por tiempu indefiníu.

Xeneradores electrostáticos

Los xeneradores de lletricidá estática son máquines que producen peraltes tensiones con una bien pequeña intensidá de corriente. Güei utilícense cuasi puramente pa demostraciones escolares de física. Exemplos de tales xeneradores son l'electróforo, la máquina de Wimshurst y el xenerador de Van de Graaff.

Al estregar dos oxetos non conductores xenérase una gran cantidá de lletricidá estática. En realidá, esti efeutu nun se debe al resfregón, pos dos superficies non conductores pueden cargase con solo sofitar un sobre la otra. Sicasí, al estregar dos oxetos aumenta'l contautu ente los dos superficies, lo que va aumentar la cantidá de lletricidá xenerada. Davezu los aislantes son bonos pa xenerar y pa caltener cargues superficiales. Dellos exemplos d'estes sustancies son el cauchu, los plásticos y el vidriu. Los oxetos conductores raramente xeneren desequilibrios de cargues, sacante, por casu, cuando una superficie metálico recibe l'impautu d'un sólidu o un líquidu non conductor, como nos tresportes de combustibles líquidos. La carga que se tresfier mientres la electrificación por contautu almacenar na superficie de cada oxetu, con cuenta de que tar lo más separada posible y asina amenorgar la repulsión ente les cargues.

Carga inducida

La carga inducida produzse cuando un oxetu cargáu repele o atrai los electrones de la superficie d'un segundu oxetu. Esto crea una rexón nel segundu oxetu que ta con una mayor carga positiva, creándose una fuercia curioso ente los oxetos. Por casu, cuando s'estrega un globu, el globu va caltenese pegáu a la paré por cuenta de la fuercia curioso exercida por dos superficies con cargues opuestes (la superficie de la paré gana una carga llétrica inducida pos los electrones llibres de la superficie del muriu son repelidos polos electrones que ganó'l globu al estregase; créase asina por inducción electrostática una superficie de carga positiva na paré, que va atraer a la superficie negativa del globu).

Carga per resfregón

Na carga por resfregón tresfierse gran cantidá d'electrones porque'l resfregón aumenta'l contautu d'un material col otru. Los electrones más internos d'un átomu tán fuertemente xuníos al nucleu, de carga opuesta, pero los más esternos de munchos átomos tán xuníos bien sele y pueden desallugase con facilidá. La fuercia que retién a los electrones esteriores nel átomu varia d'una sustancia a otra. Por casu los electrones son reteníos con mayor fuercia na resina que na llana, y si estrégase una torta de resina con un texíu de llana bien secu, tresfiérense los electrones de la llana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un escesu d'electrones y cárgase negativamente. De la mesma, el texíu de llana quedo con un defectu d'electrones y adquier una carga positiva. Los átomos con defectu d'electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), la so carga neta resulta positiva.

Carga per inducción

Puede cargase un cuerpu por un procedimientu senciellu qu'empieza col acercamientu a él d'una baniella de material aislante, cargada. Considérese una esfera conductora non cargada, suspendida d'un filo aislante. Al avera-y la baniella cargada negativamente, los electrones de conducción que s'atopen na superficie de la esfera emigren escontra'l llau alloñáu d'esta; como resultancia, el llau alloñáu de la esfera cárgase negativamente y el cercanu queda con carga positiva. La esfera bazcuya averándose a la baniella, porque la fuercia d'atraición ente'l llau cercanu d'aquella y la mesma baniella ye mayor que la de repulsión ente'l llau alloñáu y la baniella. Vemos que tien una fuercia llétrico neta, entá cuando la carga neta nes esfera como un tou seya cero. La carga por inducción nun s'acuta a los conductores, sinón que puede presentase en tolos materiales.

Aplicaciones

-La lletricidá estática úsase davezu en xerografía na qu'un pigmentu en polvu (tinta seca o tóner) afitar nes árees cargaes primeramente, lo que fai visible la imaxe impresa.

-En electrónica, la lletricidá estática puede causar daños a los componentes, polo que los operarios han de tomar midíes pa descargar la lletricidá estática que pudieren adquirir. Esto puede asoceder a una persona por frotamiento de soler de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombres, o por frotamiento de la so vistimienta contra una siella de plásticu. Les tensiones xeneraes asina van ser más altes nos díes con baxu mugor relativo ambiente. Güei les alfombres y les sielles facer con materiales que xeneren poca lletricidá por frotamiento. Nos talleres d'arreglu o en fábriques d'artefactos electrónicos tiense'l cuidu d'evitar la xeneración o de descargar estes cargues electrostáticas.

-Al aterrizar un avión tien de dar# en la so descarga por seguridá. Nos automóviles tamién puede asoceder la electrificación al circular a gran velocidá n'aire seco (l'aire húmedo produz menores cargues), polo que tamién se precisen midíes de seguridá pa evitar les chispes llétriques.

Piénsase que la esplosión en 2003 d'un cohete nel Centru de Llanzamientu de Alcántara en Brasil, que mató a 21 persones, deber a chispes aniciaes por lletricidá estática.

Conceutos matemáticos fundamentales

La llei de Coulomb

La ecuación fundamental de la electrostática ye la llei de Coulomb, que describe la fuercia ente dos cargues puntuales ${\displaystyle Q_{1}}$ y ${\displaystyle Q_{2}}$. Dientro d'un mediu homoxéneu como ye l'aire, la rellación esprésase como:

${\displaystyle \mathbf {F} ={\frac {Q_{1}Q_{2}}{4\pi \varepsilon r^{2}}}{\hat {r}}}$

onde F ye la fuercia, ${\displaystyle \varepsilon }$ ye una constante carauterística del mediu, llamada la « permitividad ». Nel casu del vacíu, se denota como ${\displaystyle \varepsilon }$₀. La permitividad del aire ye solo un 0,5‰ superior a la del vacíu, polo que de cutiu s'usen indistintamente.

Les cargues del mesmu signu se repelen ente sigo, ente que les cargues de signu opuestu atraer ente sigo. La fuercia ye proporcional al productu de les cargues llétriques ya inversamente proporcional al cuadráu de la distancia ente les cargues.

L'aición a distancia efeutuar por mediu del campu llétrico.

El campu llétrico

El campu llétrico (n'unidaes de voltios por metro) defínese como la fuercia (en newtons) por unidá de carga (en coulombs). D'esta definición y de la llei de Coulomb, esprender que la magnitú d'un campu llétrico Y creáu por una carga puntual Q ye:

${\displaystyle \mathbf {Y} ={\frac {Q}{4\pi \varepsilon _{o}r^{2}}}{\hat {r}}}$

La llei de Gauss

La llei de Gauss establez que'l fluxu llétrico total al traviés d'una superficie zarrada ye proporcional a la carga llétrica total zarrada dientro de la superficie. La constante de proporcionalidad ye la permitividad del vacíu.

Matemáticamente, la llei de Gauss toma la forma d'una ecuación integral:

${\displaystyle \oint \limits _{S}\ \mathbf {Y} \cdot \mathrm {d} \mathbf {A} ={1 \over \epsilon _{o}}\int \limits _{V}\rho \cdot \mathrm {d} V}$

Alternativamente, en forma diferencial, la ecuación ye:

${\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \varepsilon _{o}\,\mathbf {Y} =\rho }$

La ecuación de Poisson

La definición del potencial electrostático, combinada cola forma diferencial de la llei de Gauss, aprove una rellación ente'l potencial Φ y la densidá de carga ρ:

${\displaystyle {\nabla }^{2}\phi =-{\rho \over \epsilon _{0}}}$

Esta rellación ye una forma de la ecuación de Poisson. Esta ecuación usar nes aplicaciones y correspuende al campu electrostático creáu por una distribución continua de carga. En física relativista, puede plantegase'l problema electrostático nun espaciu-tiempu estacionariu curvu (y por tanto non euclídeo) la ecuación de Poisson qu'usa'l operador laplaciano ten de ser substituida por una ecuación qu'usa'l operador de Laplace-Beltrami otra ecuación:

${\displaystyle {\tilde {\nabla }}^{2}\phi ={\frac {1}{\sqrt {|g|}}}{\frac {\partial }{\partial x^{j}}}\left({\sqrt {|g|}}g^{ij}{\frac {\partial \phi }{\partial x^{j}}}\right)=-{\frac {\rho }{\epsilon _{0}}}}$

Onde: ${\displaystyle g^{ij}}$, ye tensor 2-contravariante acomuñáu al tensor métricu. ${\displaystyle {\sqrt {|g|}}}$, ye'l raigañu cuadráu del valor absolutu del determinante del tensor métricu.

Ecuación de Laplace

N'ausencia de carga llétrica, la ecuación ye

${\displaystyle {\nabla }^{2}\phi =0}$

que ye la ecuación de Laplace.

Fenómenos electrostáticos

La esistencia del fenómenu electrostático ye bien conocíu dende l'antigüedá, esisten numberosos exemplos ilustrativos que güei formen parte de la enseñanza moderna, como'l fechu de que ciertos materiales cargar de lletricidá por simple frotamiento.

=== Lletrización denominar lletrización al efeuto de ganar o perder cargues llétriques, de normal electrones, producíu por un cuerpu llétricamente neutru.

1. Por contautu: Puede cargase un cuerpu neutru con solo tocalo con otru primeramente cargáu. Nesti casu, dambos queden col mesmu tipu de carga, esto ye, si toca un cuerpu neutru con otru de carga positiva, el primeru tien de quedar con carga positiva.
2. Por frotamiento: Al estregar dos cuerpos llétricamente neutros (númberu d'electrones igual al númberu de protones), dambos cárguense, unu con carga positiva y l'otru con carga negativa.

Carga llétrica

Ye una de les propiedaes básiques de la materia. Realmente, la carga llétrica d'un cuerpu o oxetu ye la suma de les cargues de cada unu de los sos constituyentes mínimos (molécules, átomos y partícules elementales). Por ello dizse que la carga llétrica ta cuantizada. Esisten dos tipos de carga llétrica, que se denominaron cargues positives y negatives. Les cargues llétriques de la mesma clase o signu se repelen mutuamente y les de signu distintu atráense.

Principiu de caltenimientu y cuantización de la carga

Les cargues llétriques solo pueden producise por pareyes. La cantidá total de les cargues llétriques positives producíes ye igual a la de les negatives, esto ye, la cantidá total de carga llétrica en cualquier procesu permanez constante.

Exemplos de fenómenos electrostáticos

1. Poniendo bien próximos dos pendilexos llétricos tocaos con vidriu estregáu, reparar una repulsión mutua; si los dos tocáronse con resina estregada, la repulsión aníciase análogamente; si unu de los dos pendilexos púnxose en contautu con resina estregada y l'otru con vidriu, produzse una atraición mutua.
2. Cuando estregamos una barra de vidriu con un pañu. Lo que fiximos ye arrincar cargues negatives de la barra que quedaron atrapaes nel pañu, polo que la barra primeramente neutra quedó con defectu de cargues negatives (cargada positivamente) y el pañu con un escesu de cargues negatives, nel sistema total vidriu-pañu, la carga llétrica nun se modificó, namái haise redistribuido.
3. Cuando camines por alfombra y toques el pivós de la puerta metálicu. Sientes una descarga llétrica.
4. Cuando te peñes puedes recoyer pedacitos de papel col peñe.

Electroscopiu

Ver tamién: Electroscopiu

L'electroscopiu ye un preséu que dexa determinar la presencia de cargues llétriques y el so signu.

Ver tamién

• Descarga electrostática (ESD)
• Electrodinámica
• Magnetismu
• Campu electrostático
• Carga llétrica
• Llei de Coulomb
• Lletricidá
• Historia de la lletricidá

Referencies

1. Eusebio Sguario, Dell'elettricismo, o sia delle forze elettriche de' corpi svelate dalla fisica sperimentale, Venecia, 1746, https://books.google.es/books?id=X-InAAAAMAAJ
2. Priestley, Joseph. The History and Present State of Electricity, with orixinal experiments. Londres, 1767.

Enllaces esternos

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre Electrostáticas.