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Los fenómenos eléctricos eran ya conocidos desde la Antigua Grecia.
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Observó que, cuando frotaba ámbar (ἤλεκτρον, ḗlektron en griego), este era capaz de atraer pequeños objetos como plumas. A pesar de ser conocidos, los fenómenos de electrización no fueron interpretados hasta mucho más adelante.
En el s. XVI, Gilbert descubrió que otras muchas sustancias distintas al ámbar adquirían también esta propiedad atractiva al ser frotadas, denominándolas eléctricas.
El s. XVIII supuso un enorme avance en el conocimiento de los fenómenos eléctricos.
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Descubrió que esa propiedad atractiva podía transmitirse de un cuerpo a otro si se conectaban con determinadas sustancias, en especial metales.
Comprobó que esta propiedad podía ser también repulsiva, no únicamente atractiva.
Propuso el primer modelo de electricidad intentando explicar todas las observaciones.
Según su modelo, cada objeto poseía una cantidad normal de electricidad. Al frotarse un objeto con otro, transfería parte de la electricidad, quedando con electricidad en defecto y el otro en exceso.
Lo más relevante de este modelo es que implica la conservación de la carga y el exceso o defecto se aproxima a la idea de carga positiva o negativa.
Fue quien estableció la ley que rige la interacción entre cargas eléctricas.
Supuso un enorme avance en el conocimiento de la electricidad y la materia.
El descubrimiento del electrón (Thomson y sus rayos catódicos) y del protón (Rutherford), cuya carga era igual a la del electrón pero positiva, fue definitivo.
Quedó así establecida la naturaleza eléctrica de la materia: formada por átomos a su vez constituidos por partículas con carga positiva (protones) y con carga negativa (electrones).
Como normalmente el número de protones y de electrones es el mismo, las cargas eléctricas se compensan y los átomos son neutros. Por eso no observamos fácilmente fenómenos eléctricos (hay que hacer algo).
Existen diferentes métodos que sirven para romper el equilibrio entre protones y electrones y conseguir que un cuerpo quede cargado: con exceso de electrones (–) o con defecto de electrones (+).
La forma más sencilla es por fricción:
Para que sea satisfactoria, cualquier teoría o modelo eléctrico debe tener en cuenta todo esto.
Es una teoría que explica la interacción entre cargas eléctricas, suponiendo que se encuentran en reposo.
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Se define como una magnitud física que describe el grado de electrización de un cuerpo y que da lugar a una interacción a distancia distinta y más fuerte que la gravitatoria. Su unidad en el SI es el culombio (C).
Existen dos tipos: positiva y negativa. Sucede que:
La carga eléctrica cumple dos principios fundamentales:
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La carga neta de un sistema aislado no se crea ni se destruye, solo se transfiere.
La ley de Coulomb afirma:
Dos cargas eléctricas puntuales se atraen o se repelen con una fuerza que es proporcional a las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa:
$$ \vec F_\mathrm e = k\frac{q_1q_2}{r^2}\hat{\mathrm r}\quad\text{Unidad en el SI: N (newton)} $$donde $\hat{\mathrm r}$ es el vector unitario que va de $q_1$ a $q_2$ y $k=1/\left(4\pi\varepsilon\right)\left(\approx 9\times 10^9\,\mathrm{N}\,\mathrm{m^2}\,\mathrm{C^{-2}}\text{ en el vacío}\right)$ es la constante de Coulomb, siendo $\varepsilon$ la permitividad eléctrica del medio$\left(\approx 8.85\times 10^{-12}\,\mathrm{C^2}\,\mathrm{N^{-1}}\,\mathrm{m^{-2}}\text{ en el vacío}\right)$.
Aprende más sobre la ley de Coulomb con esta excelente simulación:
La fuerza eléctrica es un ejemplo de interacción a distancia y para ser explicada resulta necesario considerar el campo eléctrico.
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Teniendo en cuenta lo anterior, el campo eléctrico puede utilizarse para separar cargas de distinto signo (en una disolución por ejemplo).
Como la fuerza eléctrica es conservativa, el campo eléctrico puede expresarse en función de un potencial eléctrico $V$, definido como el trabajo que debe realizar una fuerza para traer la unidad de carga positiva desde el infinito (donde $V=0$ por convenio) hasta un punto P, a velocidad constante:
tal que $\vec E = -\dfrac{\mathrm d V}{\mathrm d r}\,\hat{\mathrm r}$ (en general $\vec E = -\nabla V$, siendo $\nabla$ el operador diferencial vectorial nabla), lo que significa que $\vec E$ se dirige siempre hacia valores decrecientes de potencial.
A diferencia de lo que ocurre con el potencial gravitatorio, el potencial eléctrico generado por varias cargas eléctricas sí puede ser nulo, pues $V$ puede ser positivo o negativo.
La energía potencial eléctrica, $E_\mathrm p$, es la energía que adquiere una carga $q$ dentro de un campo eléctrico $\vec E$.
Se define como el trabajo que debe realizar una fuerza para traer una carga positiva desde el infinito (donde $E_\mathrm p=0$ por convenio) hasta un punto P, a velocidad constante:
$$ E_\mathrm p = W_{\infty\rightarrow \mathrm P} = \int_\infty^\mathrm P \vec F\cdot \mathrm d \vec r = \int_\infty^\mathrm P -\frac{kQq}{r^2}\,\mathrm d r = \frac{kQq}{r} $$Puede ser positiva o negativa dependiendo del signo de las cargas y su unidad en el SI es el julio (J).
Cuando una carga $q$ se mueve libremente dentro de un campo eléctrico, se realiza un trabajo $W_{1\rightarrow 2}$:
que solo depende de las posiciones inicial y final, lo que significa que $\vec F_\mathrm e$ es conservativa.
El signo del trabajo dependerá de hacia dónde se desplace la carga $q$ en el seno del campo creado por $Q$.
Existen dos maneras de representar el campo eléctrico:
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Cumplen:
Son regiones del espacio en las que el potencial eléctrico tiene el mismo valor.
Aprende más sobre cargas y campos con esta excelente simulación:
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Hasta ahora hemos considerado el campo eléctrico creado por cargas puntuales. Podemos aproximar que una carga es puntual cuando su tamaño es despreciable frente a la distancia donde se está considerando el campo.
Cuando las dimensiones no son despreciables frente a la distancia, resulta necesario considerar la geometría y las características del cuerpo con carga y en ese caso el campo eléctrico se calcula aplicando el teorema de Gauss.
como el número de líneas de campo que atraviesa la superficie $S$. $\mathrm d \vec S$ es el vector de área normal a la superficie (dirigido hacia fuera). La unidad de $\symup\Phi$ en el SI es el voltio metro (V m), equivalente a N m2 C–1.
$$ \symup\Phi = \frac{Q_\mathrm{encerrada}}{\varepsilon} = 4\pi k Q_\mathrm{encerrada}, $$donde $\varepsilon$ es la permitividad eléctrica, con $k=1/\left(4\pi\varepsilon\right)$.
Para aplicar el teorema de Gauss basta con elegir una superficie cerrada cualquiera, pero resulta conveniente elegir una en la que el vector $\vec E$ sea constante y forme un ángulo conocido con $\mathrm d \vec S$ (integral más sencilla).
Al proporcionar cargas a un material aislante, estas permanecen en el lugar en el que se depositaron. En el caso de un conductor, sin embargo, se redistribuyen hasta colocarse en posiciones equidistantes de forma que se repelan por igual. Esto hace que una esfera cargada solo tenga carga en su superficie.
Para calcular el campo eléctrico generado, se escoge una superficie gaussiana cilíndrica. Así, el flujo eléctrico, $\symup\Phi$, puede dividirse en tres contribuciones, dos de ellas para las tapas y otra para la pared. En las tapas, el campo eléctrico es perpendicular al vector diferencial de superficie, mientras que en la pared $\vec E$ es paralelo a $\mathrm d \vec S$ y constante, pues todos los puntos de la pared están a la misma distancia del hilo.
Se trata de un dispositivo formado por dos láminas plano-paralelas muy próximas entre sí y con la misma densidad superficial de carga $\sigma =Q/S$.
En el interior del condensador, ambas placas generan $\vec E$ de igual módulo, dirección y sentido, porque sus cargas son opuestas, reforzándose. El campo total en el interior del condensador es uniforme y su módulo es la suma de ambos campos.
Así:
Aprende más sobre el funcionamiento de un condensador con esta excelente simulación:
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donde $q$ se introduce con su signo.
En el eje $x$ no actúa ninguna fuerza ($a_x = 0$) y describe un MRU, mientras que en el eje $y$ actúa $\vec F_\mathrm e$ de modo que la aceleración puede volver a escribirse vectorialmente en función del campo como $\vec a = q\vec E/m$.
donde $q$ se introduce con su signo.
En este tipo de problemas también es necesario tener en cuenta que la energía mecánica se conserva.
Del teorema de las fuerzas vivas, $W_{1\rightarrow 2} = \symup\Delta E_\mathrm c$, pero también $W_{1\rightarrow 2} = -\symup\Delta E_\mathrm p$, por lo que:
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