3. Interacción Electrostática

1. Interacción electrostática: Ley de

Coulomb.

2. Campo y potencial electrostáticos;

energía potencial electrostática.

3. Teorema de Gauss. Cálculo del

campos.

4. Campo electrostático en la materia.

Conductores y aislantes.

1. Interacción Electrostática: Ley de Coulomb

Evolución histórica

Grecia Clásica:

Tales de Mileto (s.VI a.C.) describe cómo el ámbar

(elektron, en griego), al ser frotado, atrae pequeños

trozos de hilo, pelusa, hierba seca, etc.

Inglaterra, s.XVI:

Gilbert distingue entre fenómenos eléctricos y

magnéticos, establece un primer modelo para explicar la

electricidad y propone que la Tierra es un imán, con lo

que explica la brújula.

Siglo XVIII:

• Leyden construye el primer condensador.

• Benjamin Franklin descubre que los rayos son

fenómenos eléctricos, inventa el pararrayos, propone

los signos + y - para los dos tipos de electricidad y

establece la teoría del "fluido eléctrico".

• Volta construye la primera pila.

• Coulomb establece el concepto de carga eléctrica. La

Ley de Coulomb explica la interacción electrostática.

Propiedades de la carga eléctrica

La carga eléctrica es una magnitud escalar asociada a la

materia que permite explicar los fenómenos eléctricos y

magnéticos.

Unidades:

•Culombio (C), unidad del S.I.

•Unidad electrostática elemental (uee).

•Faraday (F)

1 F

96500 C10

1 uee

3,33 10 C

Características de la carga eléctrica:

2. Es discontinua, ya que está

asociada a partículas

subatómicas (protones y

electrones). Un cuerpo cargado

sólo puede tener una carga que

sea un múltiplo de la carga del

electrón.

3. Es aditiva: la carga total es la

suma de las cargas.

1. Dos tipos: positiva (+) y negativa (-). Los cuerpos

neutros tienen igual nº de cargas positivas y

negativas.

Interacción Electrostática

Propiedades:

•Interacción entre cargas en

reposo. Atractiva si las cargas son

opuestas y repulsivas si son del

mismo signo.

•Es proporcional al valor de las

cargas.

•Tiene alcance infinito.

•Es inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia entre las

cargas.

•Es conservativa.

•Es de tipo central.

•Depende del medio en el que se

encuentren las cargas.

Ley de Coulomb

Enunciado:

"Entre dos cuerpos con cargas eléctricas se ejercen

fuerzas de atracción o repulsión, que son

proporcionales al producto de las cargas e

inversamente proporcionales al cuadrado de la

distancia que los separa."

1 2e r2

q qF K u

r

K (constante eléctrica): depende del medio.

ε (permitividad eléctrica).

1K

4

9 2 2

0

0

1K 9 10 Nm C

4

2. Campo y potencial electrostáticos;

energía potencial electrostática.

2.1 Campo Electrostático (E)

Propiedad del espacio

creada por una carga Q que

produce una fuerza

electrostática sobre otra

carga q en dicho espacio.

ee

FE F q E

q

Unidades:

FE N / C

q

2.2 Energía potencial electostática (Epe)

Energía almacenada por una carga q situada en el

interior de un campo electrostático. Es, por tanto, la

energía potencial asociada a la fuerza electrostática.

Fe peW EB

pe eA

E F dr

2.3 Potencial electrostático (V)

peEV

qpeE q V

B

AV E dr

Propiedad del espacio que mide la energía por unidad

de carga que almacenaría cualquier carga situads en

ese punto. Es, por tanto, la función potencial asociada

al campo electrostático.

2.4 Magnitudes asociadas a distintas distribuciones

de cargaCampo y potencial creados por una carga puntual (Q):

2

QE K

r

QV K

r

Fuerza y energía potencial sobre una carga q debida a la

interacción con Q:

2e

Q qF K

rpe

Q qE K

r

Varias cargas puntuales:

total iE E

total iF F

total iV V

total iE E

3. Teorema de Gauss. Cálculo de campos.

Enunciado:

El flujo total que atraviesa una

superficie cerrada en el interior de

un campo electrostático es

proporcional a la carga encerrada

por dicha superficie.

4e intE ds KQ

Si E es constante:

inte

QE S

Campo en el exterior de una esfera:

Misma acción que carga puntual

situada en el centro de la esfera. 2

QE K

r

Campo en el interior de una esfera hueca:

0 0intQ E

Campo en el interior de un condensador:

B

AV E dr

V E r

V E d

Dos placas metálicas planas y paralelas, cargadas con

cargas idénticas, pero de signo contrario. Entre las

placas se genera un campo eléctrico constante.

4. Campo electrostático en la materia.

Conductores y aislantes.

4.1 Dipolo

Cuerpo neutro en el que las

cargas positiva y negativa

están separadas.

Momento dipolar:

q r

4.2 Conductores

Pueden conducir la corriente eléctrica. Poseen cargas

libres.Capacidad de un conductor:

Relación entre la carga acumulada

y el potencial almacenado por un

conductor.

QC

V

UnidadesQ C

C FV V

Capacidad de un conductor esférico 4

QC

VC R

QV K

RCapacidad de un

condensador:

QC

V

C sólo depende de las

características del conductor

(geometría y del material

dieléctrico), no de la cantidad de

carga que se le haya suministrado.

Efecto de un campo eléctrico externo sobre un

conductor

Las cargas móviles (normalmente electrones) se

desplazan por la acción del campo. Se produce una

separación de carga, originándose un campo eléctrico

interno igual y de sentido contrario al exterior. La suma

de ambos anula el campo eléctrico total en el interior

del conductor.

0ext int

int ext

E E EE

E E

4.3 Dieléctricos o aislantes

No poseen cargas libres y por tanto no pueden conducir la

corriente eléctrica.

Tipos:

Dieléctricos polares: Sus

moléculas son dipolos,

tienen cargas separadas y

campo eléctrico interno.

Dieléctricos apolares: En

sus moléculas no existe

separación de cargas, no

son dipolos.

En ambos casos de dieléctricos se crea un campo

inducido que se opone al campo exterior. A diferencia

de lo que ocurría en los conductores, la separación de

carga no es lo suficientemente alta como para generar

un campo inducido de igual intensidad que el exterior,

por lo que el campo total no se anula.

Efecto de un campo eléctrico externo sobre un

dieléctrico