La física es una ciencia que se encarga de estudiar todos los acontecimientos o fenómenos naturales que ocurren en el universo, desde el movimiento atómico hasta los movimientos de estrellas y planetas. Es por eso que la enseñanza de la física ha abarcado tanto terreno y ahora está presente en casi todas las disciplinas.

La electricidad y el magnetismo es un tópico asociado a la física, donde se estudia las causas internas y externas de la interacción de cargas, formando campos que reaccionan con el inverso de la distancia de cada carga puntual, produciendo fuerzas atractivas o repulsivas.

El aprovechamiento del resultado de estas fuerzas se puede evidenciar con las leyes que rigen a la electricidad y al magnetismo, como es la generación de corrientes eléctricas y dispositivos utilizados en los electrodomésticos, como son las fuentes de poder y los motores eléctricos. Estos dispositivos eléctricos son los encargados de transformar la energía eléctrica en energía mecánica para generar movimiento; movimiento que es aprovechado por la industria.

Para la manipulación de éste ámbito particular, se integra el estudio de la electricidad y el magnetismo en una sola rama de estudio: el electromagnetismo.

Material de apoyo

Objetivo general

Determinar los efectos causados por la presencia de cargas eléctricas cuando se encuentran en reposo.

Objetivos específicos

• Explicar la naturaleza eléctrica de la materia.
• Determinar el tipo de fuerza que ejercen los cuerpos cargados eléctricamente por medio de la ley de Coulomb.
• Interpretar los conceptos de fuerza eléctrica y campo eléctrico.
• Analizar, definir e interpretar la ley de Gauss para campos eléctricos.
• Desarrollar aptitudes y habilidades para la solución de problemas de electrostática.

En la antigua Grecia el filósofo Tales de Mileto encontró que unas piezas de resina de árbol fosilizadas conocidas como ámbar (que significa elektron en griego) al ser frotado con piel o lana tenían una propiedad de atraer objetos livianos. Siglos más tarde, en 1600 Gilbert estudio éste efecto y descubrió que otros objetos como el vidrio, al ser frotados con seda, también tiene la propiedad de atraer. En 1777, Charles Coulomb utiliza una balanza de torsión y demuestra con este experimento su ley de fuerza electrostática.

La electrostática es una rama de la física que se encarga del estudio de las interacciones de las cargas en reposo, desde el modo en que se electrizan los cuerpos ya sean por inducción o por frotamiento, estos cuerpos “cargados” muestran el principio de las cargas, las cuales pueden ser de naturaleza eléctrica positiva o negativa, según sea el material.

Respetando el principio de conservación de la energía donde se predice que ésta no se gana ni se pierde, solamente se transforma, se encuentra que la energía potencial eléctrica o potencial eléctrico asociada a las cargas cumple con éste principio, con el voltaje generado en presencia de dicho campo.

Desde la antigüedad el ser humano se ha preguntado sobre la estructura interna de la materia. Una de las teorías que se postuló en la antigua Grecia hacia el 400 AC por Demócrito es la consideración de que todos los cuerpos de la naturaleza están conformados por partículas indivisibles a los que él llamó átomos.

Frente a esto, Aristóteles (300 AC) reúne los conceptos de filósofos que sostienen que la naturaleza está conformada por la unión de cuatro elementos básicos: tierra, agua, fuego y aire (clasificación hecha de lo más a lo menos denso).

El concepto de átomo fue recordado 2000 años más tarde por John Dalton en 1808, quien sostiene que los átomos de un elemento son cuerpos esféricos indivisibles con características muy propias que se pueden clasificar obteniendo información sobre dicha sustancia. A partir de ésta fecha inicia la evolución de los modelos atómicos, pasando por Thomson, Rutherford y Bohr entre otros.

Finalmente, se demuestra una vez más que todos los cuerpos están compuestos por materia, y si todo está constituido por materia también están constituidos por cargas eléctricas.

La importancia que tiene la evolución de los modelos atómicos llega al desarrollo de la física cuántica, importante en el progreso actual de nuestra tecnología.

Una de las formas que tenemos para evidenciar la presencia de cargas eléctricas en todo nuestro entorno es por medio de la electrización por inducción.

De ésta manera, se puede comprobar la existencia de cargas en los diferentes cuerpos naturales. Es por eso que en los días secos estamos muy propensos a recibir pequeñas descargas, los electrones libres viajan por el espacio y se adhieren a nosotros; entonces cuando tocamos algún cuerpo conductor realizamos una especie de puente como si fuéramos el polo a tierra y sentimos dicha electrización.

Este fenómeno fue estudiado por Charles Coulomb en 1784, quien inventó un instrumento llamado el electroscopio, el cual consiste en una botella con tapa y un alambre que lo traspasa, en un borde interno del alambre se coloca dos láminas de aluminio y en el borde externo una bola de aluminio. Al cargar un instrumento por inducción y acercarlo a la bola de aluminio, este recibe la sobrecarga negativa que se conduce al interior de la botella y cuando llega a las láminas de aluminio éstas se separan por ser del mismo signo.

De esta experiencia se llega a concluir el principio de las cargas. Cargas de signo diferente se atraen y cargas del mismo signo se repelen, como se puede observar en los siguientes experimentos. Esta acción presentada por las dos láminas de aluminio al separarse, generó lo que hoy se conoce como la fuerza electrostática; y tiene como unidad de carga al Coulomb.

Para comprender mejor la fuerza eléctrica. Se recomienda ver los siguientes ejemplos.

Actividad de aprendizaje

Relaciona los diferentes conceptos y planteamientos de varios teóricos con relación a la electrostática en la siguiente actividad.

Un cuerpo en la Tierra presencia una fuerza a distancia que llamamos gravedad. Si este cuerpo es lanzado hacia arriba la acción de la gravedad lo afecta sobre una región caracterizada por un campo gravitacional. Análogamente cualquier carga presente en una región del espacio forma un campo eléctrico que interactúa con otras cargas generando fuerza eléctrica. Esta fuerza generada puede ser de repulsión o de atracción, según sea su naturaleza.

La superposición de fuerzas está relacionada a la suma de fuerzas. La fuerza como magnitud física posee dirección y sentido, características que la permiten clasificar como un vector. Entonces si la fuerza es un vector, podemos sumar o restar fuerzas dependiendo de su naturaleza eléctrica (atracción o repulsión). Esto quiere decir, la fuerza neta producida sobre una carga es la suma vectorial de todas las fuerzas que ejercen cada una de las otras partículas sobre ella.

Con este principio justificamos que la intensidad de campo eléctrico (también es un vector), depende de la suma vectorial ejercida por cada una de las cargas involucradas en esa región del espacio caracterizado como campo eléctrico. Veamos los siguientes ejemplos.

Las líneas de campo eléctrico son un elemento abstracto que se emplea en la representación de la intensidad de campo eléctrico. Por medio de este modelo, se puede apreciar la interacción entre cargas, dependiendo de su naturaleza eléctrica ya sea de repulsión o atracción.

Estas líneas son tangentes a la carga y no representan trayectorias, el empleo de estas líneas se basa en mostrar la magnitud de campo que presenta cada carga y sus principales interacciones.

En la representación se puede observar que las cargas positivas salen del punto, mientras que las negativas reciben toda carga que se acerque al campo eléctrico. Cuando las cargas son iguales y hay repulsión, se pueden evidenciar en la curvatura de las líneas.

Para encontrar las distribuciones de carga en geometrías distintas como anillos, discos o esferas, se utiliza la teoría de campo eléctrico. Para este cálculo, las distribuciones de carga son continuas y se debe emplear las propiedades del cálculo integral.

En el análisis enfocado a estos problemas es muy útil emplear las ecuaciones que se muestran en la gráfica de esta pantalla. El desarrollo para cada una de las geometrías descritas anteriormente se muestra en la siguiente interactividad.

Cuando una partícula de carga q y de masa m se desplaza de un punto A hasta un punto B, a través del tiempo, se produce un movimiento acelerado. Este movimiento se puede calcular utilizando las ecuaciones del movimiento uniformemente acelerado y el concepto de campo eléctrico, así:

Quiere decir que la distancia recorrida por una partícula cargada está dada por:

Como aplicación de lo aquí explicado. Se recomienda ver el siguiente ejemplo de dos placas paralelas.

El dipolo eléctrico es un par de cargas puntuales de igual magnitud pero de signo contrario, separado por una distancia r.

Por lo tanto, la fuerza neta sobre un dipolo eléctrico en un campo eléctrico externo uniforme es cero ya que se anulan. Sin embargo, las dos fuerzas no actúan a lo largo de las mismas líneas, por lo que sus pares de torsión no suman cero. Estos pares de fuerza se calculan desde el centro del dipolo eléctrico.

El flujo eléctrico es la cantidad de líneas de campo eléctrico que llegan o salen de una superficie cerrada en un área determinada, quiere decir, el flujo eléctrico es directamente proporcional a la cantidad de líneas de campo (densidad lineal) que lleguen a una área específica, tal como se evidencia en la interactividad anterior con ejemplos del mismo.

La ley de Gauss establece que el flujo eléctrico total a través de cualquier superficie cerrada (una superficie que encierre el volumen definido) es proporcional a la carga eléctrica total dentro de la superficie.

Al utilizar una superficie esférica con radio R, el campo generado es:

Y aplicando el concepto de flujo eléctrico con: Tenemos:

De esta manera el flujo es independiente del radio R de la esfera; sólo depende de la carga q encerrada por la esfera. Revisemos los siguientes casos.

Utilizando el flujo eléctrico para superficies no esféricas y relacionándolo con el resultado anterior, encontramos una expresión para calcular cargas puntuales dentro de una superficie irregular. Este resultado se conoce con el nombre de la ley de Gauss.

Para una superficie que no encierra carga, su flujo eléctrico es cero.

Actividad de aprendizaje

Resuelve el siguiente crucigrama con todos los conocimientos del campo eléctrico.

La electrostática es una rama de la física que se encarga del estudio de las interacciones entre cargas en reposo y su fenomenología.

En esta primera parte del análisis de los fenómenos electrostáticos, se presentaron la interacción entre cargas eléctricas que conforma la ley de Coulomb. Estas interacciones crean a su alrededor un campo eléctrico que permite medir su intensidad dependiendo del valor de fuerza que actúe en dicha región.

Esta intensidad se puede representar por medio de líneas de campo, su valor se calcula por medio del flujo eléctrico y para generalizar estos cálculos en la medida del campo eléctrico, se emplea la ley de Gauss.

La ley de Gauss permite calcular el campo eléctrico para distintas formas geométricas de los portadores de carga, por medio de superficies gaussianas, teniendo en cuenta la aplicación de las diferentes densidades empleadas a los portadores de carga, ya sean lineales, superficiales o volumétricas.