Electricidad Estática, Condensadores, Carga

Eléctrica, La Electrización y Ley de Coulomb.

TEMA:

ÍNDICE

ÍNDICE.........................................................................................................................2

INTRODUCCIÓN.........................................................................................................3

MARCO TEÓRICO......................................................................................................4

SECCION 1: ELECTRICIDAD ESTÁTICA..................................................................4

1. Definición 4

2. Historia 4

3. Causas de la electricidad estática 5

4. Descarga electrostática 5

5. Peligros 6

5.1. Componentes electrónicos........................................................................6

6. Carga inducida 6

7. Aplicaciones 7

SECCION 2: CONDENSADORES..............................................................................7

1. Definición 7

2. Características 8

3. Funcionamiento 9

4. Usos 9

5. Tipos de condensadores 10

SECCION 3: CARGA ELÉCTRICA...........................................................................13

1. ¿Qué es carga eléctrica? 13

2. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica? 15

3. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos. 15

4. Ejemplo De Cargas Eléctricas 16

SECCION 4: LA ELECTRIZACIÓN...........................................................................17

1. ¿Qué es la electrización? 17

2. Ejemplos: 17

3. Formas De Electrización 18

SECCION 5: LEY DE COULOMB.............................................................................21

1. Desarrollo de la Ley 21

2. Enunciado de la ley 22

3. Constante de Coulomb 24

4. Potencial de Coulomb 24

2

INTRODUCCIÓN

La electricidad es una fuente de energía que con el tiempo se vuelve cada vez más

importante e indispensable para todos, ya que las maquinarias y artefactos

modernos necesitan de esta para su funcionamiento, por lo tanto hay que cuidar y

no malgastarlo en cosas inútiles.

3

MARCO TEÓRICO

SECCION 1: ELECTRICIDAD ESTÁTICA

1. Definición

El término electricidad estática se refiere a la acumulación de un exceso de carga

eléctrica en una zona con poca conductividad eléctrica, un aislante, de manera que

la acumulación de carga persiste. Los efectos de la

electricidad estática son familiares para la mayoría de

las personas porque pueden ver, notar e incluso llegar a

sentir las chispas de las descargas que se producen

cuando el exceso de carga del objeto cargado se pone

cerca de un buen conductor eléctrico (como un

conductor conectado a una toma de tierra) u otro objeto

con un exceso de carga pero con la polaridad opuesta.

2. Historia

El fenómeno de la electricidad estática es conocido desde la antigüedad,

aproximadamente desde el siglo VI a. C. según la información aportada por Tales de

Mileto. La investigación científica sobre este fenómeno comenzó cuando se

pudieron construir máquinas capaces de generar electricidad estática, como el

generador electrostático construido por Otto Von Guericke en el siglo XVII. La

relación entre la electricidad estática y las nubes de tormenta no fue demostrada

hasta el 1750 por Benjamín Franklin.

Michael Faraday publicó en 1832 los resultados de sus experimentos sobre la

naturaleza de lo que hasta entonces se pensaba que eran diferentes tipos de

electricidad, demostrando que la electricidad inducida con un imán, la electricidad

fotovoltaica producida por una pila voltaica y la electricidad estática eran el mismo

tipo. A partir de este momento el estudio de la electricidad estática quedó dentro del

de la electricidad en general.

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3. Causas de la electricidad estática

Los materiales con los que tratamos en nuestra vida diaria

están formados por átomos y moléculas que son

eléctricamente neutros porque tienen el mismo número de

cargas positivas (protones en el núcleo) que de cargas

negativas (electrones alrededor del núcleo). El fenómeno de la

electricidad estática requiere de una separación sostenida

entre las cargas positivas y negativas, a continuación se

muestran las principales causas de que esto sea posible.

4. Descarga electrostática

La chispa asociada a la electricidad estática está causada por la descarga

electrostática que se produce cuando el exceso de carga es neutralizado por un flujo

de cargas desde el entorno al objeto cargado o desde éste hacia su entorno. En

general, una acumulación significativa de cargas sólo puede ser persistente en

zonas de baja conductividad eléctrica, en un entorno donde muy pocas cargas se

pueden mover libremente. El flujo de las cargas neutralizadoras se genera a

menudo a partir de átomos y moléculas neutras del aire que son separados para

formar cargas positivas y negativas, entonces se mueven en direcciones opuestas

como una corriente eléctrica, neutralizando la acumulación original de cargas. El

aire se rompe de esta manera alrededor de unos 30.000 voltios por centímetro, este

valor depende de la humedad. La descarga calienta el aire de alrededor y produce

una chispa brillante, también provoca una onda de choque que es la causante del

sonido que se puede llegar a escuchar.

El choque eléctrico que notamos cuando recibimos una descarga electrostática se

debe a la estimulación de los nervios cuando la corriente neutralizadora fluye a

través del cuerpo humano. Gracias a la presencia de agua que hay en todo el

mundo y que se mueve, las acumulaciones de carga no llegan a ser lo

suficientemente importantes como para causar corrientes peligrosas.

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5. Peligros

A pesar de su naturaleza, aparentemente inocua, según nuestra experiencia en la

vida diaria, la electricidad estática puede tener efectos peligrosos no despreciables

en situaciones en las que la acumulación de cargas se produce en presencia de

materiales o dispositivos sensibles.

1.1. Componentes electrónicos

Muchos componentes electrónicos, en especial los dispositivos semiconductores,

son extremadamente sensibles a la presencia de la electricidad estática y pueden

ser dañados por una descarga electrostática.

6. Carga inducida

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los

electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el

segundo objeto que está más cargada positivamente, creándose una fuerza

atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se

mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos

superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica

inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los

electrones que ha ganado el globo al frotarse, creando una superficie de carga

positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo).

En los efectos eléctricos cotidianos, no los de los aceleradores de partículas,

solamente se mueven los electrones. La carga positiva del átomo, dada por los

protones, permanece inmóvil.

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7. Aplicaciones

La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía donde un pigmento de

polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas

cargadas previamente haciendo visible la imagen

impresa.

En electrónica, la electricidad estática causa

numerosos daños a los componentes por lo que

los operarios han de tomar medidas para

descargar la electricidad estática que pudieran

haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona

por frotamiento de las suelas de los zapatos (de

materiales como la goma) contra suelos de tela o

alfombras.

En aviación, al aterrizar un avión por seguridad se

debe proceder a su descarga. En los automóviles también puede ocurrir la

electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo conduce

mejor las cargas), por lo que también necesitan medidas de seguridad para evitar

las chispas eléctricas.

Se piensa que la explosión de un cohete en el 2003 en Brasil se debió a chispas

originadas por electricidad estática

SECCION 2: CONDENSADORES

1. Definición

7

Básicamente un condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía en

forma de campo eléctrico. Está formado por dos armaduras metálicas paralelas

(generalmente de aluminio) separadas por un material dieléctrico.

Va a tener una serie de

características tales como

capacidad, tensión de trabajo,

tolerancia y polaridad, que

deberemos aprender a distinguir

Aquí a la izquierda vemos

esquematizado un condensador,

con las dos láminas = placas =

armaduras, y el dieléctrico entre

ellas. En la versión más sencilla del condensador, no se pone nada entre las

armaduras y se las deja con una cierta separación, en cuyo caso se dice que el

dieléctrico es el aire.

2. Características

Capacidad: Se mide en Faradios (F), aunque esta unidad resulta tan grande

que se suelen utilizar varios de los submúltiplos, tales como microfaradios

(µF=10-6 F), nanofaradios (nF=10-9 F) y picofaradios (pF=10-12 F).

Tensión de trabajo: Es la máxima tensión que puede aguantar un

condensador, que depende del tipo y grososr del dieléctrico con que esté

fabricado. Si se supera dicha tensión, el condensador puede perforarse

(quedar cortocircuitado) y/o explotar. En este sentido hay que tener cuidado

al elegir un condensador, de forma que nunca trabaje a una tensión superior

a la máxima.

Tolerancia: Igual que en las resistencias, se refiere al error máximo que

puede existir entre la capacidad real del condensador y la capacidad

indicada sobre su cuerpo.

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Polaridad: Los condensadores electrolíticos y en general los de capacidad

superior a 1 µF tienen polaridad, eso es, que se les debe aplicar la tensión

prestando atención a sus terminales positivo y negativo. Al contrario que los

inferiores a 1µF, a los que se puede aplicar tensión en cualquier sentido, los

que tienen polaridad pueden explotar en caso de ser ésta la incorrecta.

3. Funcionamiento

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de

potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la

llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide

en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que,

sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, éstas adquieren una carga

eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los

condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF

= 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos

a partir de super condensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón

activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular

entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de

faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con

una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está

utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

4. Usos

Los condensadores suelen usarse para:

Baterías, por su cualidad de almacenar energía.

Memorias, por la misma cualidad.

Filtros.

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Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con

otros componentes.

El flash de las cámaras fotográficas.

Tubos fluorescentes.

Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.

5. Tipos de condensadores

Vamos a mostrar a continuación una serie de condensadores de los más típicos que

se pueden encontrar. Todos ellos están comparados en tamaño a una moneda

española de 25 ptas (0.15 €).

1. Electrolíticos. Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en

electrólito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba

observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una

tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V).

Abajo a la izquierda vemos un esquema de este tipo de condensadores y a

la derecha vemos unos ejemplos de condensadores electrolíticos de cierto

tamaño, de los que se suelen emplear en aplicaciones eléctricas (fuentes de

alimentación, etc...).

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2. Electrolíticos de tántalo o de gota. Emplean como dieléctrico una finísima

película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un

poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1

µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre.

3. De poliéster metalizado MKT. Suelen tener

capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de

trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su

estructura: dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico

que se bobinan juntas. Aquí al lado vemos un detalle de un condensador

plano de este tipo, donde se observa que es de 0.033 µF y 250v.

(Inscripción: 0.033 K/ 250 MKT).

4. De poliéster. Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de

fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se

presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas

de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de

bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF.

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5. De poliéster tubular. Similares a los anteriores, pero enrollados de forma

normal, sin aplastar.

6. Cerámico "de lenteja" o "de disco". Son los cerámicos más corrientes.

Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En

ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color.

Aquí abajo vemos unos ejemplos de condensadores de este tipo.

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7. Cerámico "de tubo". Sus valores de capacidad son del orden de los

picofaradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica

que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura).

SECCION 3: CARGA ELÉCTRICA

1. ¿Qué es carga eléctrica?

Como toda definición de una fuerza fundamental de la naturaleza es difícil explicar

lo que es una carga eléctrica.

La carga eléctrica  es una propiedad de la materia que se traduce o que provoca

que los cuerpos se atraigan o se repelen (se rechacen) entre sí en función a la

aparición de campos electromagnéticos generados por las mismas cargas. Se dice

entonces que es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta según la

convención de Benjamín Franklin en positiva y negativa, de manera que dos cargas

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positivas o negativas se van a repeler y dos cargas una positiva y una negativa se

van a atraer.

La materia que nos rodea está formada por átomos que constan, a su vez, de

protones, neutrones y electrones. Los protones y electrones tienen una propiedad

que se conoce con el nombre de carga eléctrica.

La carga eléctrica se conserva: en ningún proceso puede crearse o destruirse carga

neta. 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.

La carga es un invariante relativista. La carga de un cuerpo es la misma

independientemente de la velocidad con la que se mueva.

La carga eléctrica no se crea ni se

destruye, sólo se transforma (conservación

de la energía).

La carga eléctrica siempre está

cuantizada. Se representa en cantidades

enteras de la unidad fundamental. La carga

de un cuerpo cargado siempre es un

múltiplo entero de una carga elemental que

corresponde a la carga del electrón. Es decir:

Dondeq = carga eléctrican = número enteroe = electrón

Los electrones pueden desplazarse a través de ciertos cuerpos que reciben

el nombre de conductores.

La carga se conserva: al electrizar un cuerpo no se está creando carga, sólo

se transmite carga (electrones) de un cuerpo a otro. La carga total siempre la

permanece constante.

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2. ¿Cuál es la unidad elemental de carga eléctrica?

En el Sistema Internacional, La unidad con la cual se mide la carga eléctrica

es el coulomb (C) , que equivale a la carga eléctrica de unos seis trillones de

electrones, en honor a Charles Coulomb. Corresponde a la siguiente carga:

1 Coulomb = 6,25x10 18 electrones

De donde podemos decir que la carga del electrón es igual a:

Para cargas más pequeñas se usan los submúltiplos:

1 coulomb = 3x10 9 stat-coulomb (stc)

1 milicoulomb = 1mC = 0,001 C = 1x10 –3 C

1 microcoulomb = 1?C = 0,000001 C = 1x10 – 6 C

3. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos.

1. Los protones tienen carga eléctrica positiva.

2. Los electrones tienen carga eléctrica negativa.

Normalmente, los átomos de los cuerpos tienen tantos protones como

electrones, por lo que tendrán tantas cargas eléctricas positivas como

negativas. Esto hace que sean neutros. Pero los átomos pueden ganar o

perder electrones y convertirse en iones. De esta forma, los cuerpos neutros

pueden adquirir una carga eléctrica.

Cuando los átomos ganan electrones, el cuerpo adquiere carga eléctrica

negativa.

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Cuando los átomos pierden electrones, entonces el cuerpo adquiere carga

eléctrica positiva.

Un cuerpo electrizado está cargado positiva o negativamente porque ha

perdido o ganado electrones. Por consiguiente, la carga eléctrica es una

magnitud física medible y cuantificable. La cantidad de electricidad «neta» de

un cuerpo será igual a un número entero de veces la carga del electrón.

4. Ejemplo De Cargas Eléctricas

Poner unos papelitos sobre la mesa. Raspar una birome contra la ropa o contra el

pelo. Acercá la birome a los papelitos. Vas a ver que la birome los atrae. Esto

también puede pasar al cortar Telgopor. Quedan un montón de bolitas que se

atraen. Algo parecido pasa al peinarse . Un peine frotado o una birome frotada

pueden atraer cosas y hacer que queden pegadas. Muchas veces pasa que uno

frota una cosa y comprueba que después de frotado, el cuerpo empieza a atraer

cosas. Ellos dicen que por efecto del frotado, el cuerpo "queda cargado".

Hay otros hechos raros que ocurren. A veces al ponerse un pulóver se escucha un "

cri – cri ". Incluso pueden llegar a salir chispas.

La explicación que ellos dan a estas cosas raras es la siguiente: Los objetos que

sacan chispas o que dan patada están "cargados eléctricamente". Es un poco

complicado explicar que quiere decir la frase "estar cargado". Se supone que al

frotar 2 cosas los electrones de uno de los objetos pasan al otro objeto. Entonces

uno de los cuerpos pierde electrones y queda cargado positivamente. El otro cuerpo

gana electrones y queda cargado negativamente. (Recordar que los electrones son

cargas negativas).

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SECCION 4: LA ELECTRIZACIÓN

1. ¿Qué es la electrización?

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas

eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos

que estudia la electrostática.

Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la

materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo

rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no

electrizada), tiene el mismo número descargas positivas y negativas. 

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un

material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con

otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a

capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es

más negativo en la serie triboeléctrica.

Ejemplo: En la escuela hemos frotado el bolígrafo con nuestra ropa y hemos visto

como atrae a trocitos de papeles. En las experiencias de aula, se frotan diversos

materiales, vidrio con seda, cuero, etc. Se emplean bolitas de sauco electrizadas

para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones.

2. Ejemplos:

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y

negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de

carga. 

2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los

cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa.

En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga total o neta no

cambia.

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3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen. 

4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

3. Formas De Electrización

Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro

inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de

electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se

produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que

depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante,

la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo

en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o

por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del

cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con

electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características

eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine

también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización

es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente

próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con

otro cuerpo.

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas,

normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos

de electrificación son los siguientes:

La electrización por frotamiento se obtiene cuando dos cuerpos de diferente

material son frotados entre sí; por ejemplo: cuando se frota una varilla de vidrio en

un pedazo de seda.

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El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de

cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con

lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos

cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de

la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.

Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con

un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el

conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los

ganó.

Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un

conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de

valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más

alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una

carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta

parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero

(neutro).

Carga por el Efecto Fotoeléctrico:

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Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser

irradiado por luz u otra radiación electromagnética.

Carga por electrolisis

La mayoría de los compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al

fundirse o cuando se disuelven en agua u otros líquidos; es decir, sus moléculas se

disocian en especies químicas cargadas positiva y negativamente. Si se coloca un

par de electrodos en una disolución de un electrólito (compuesto ionizable) y se

conecta una fuente de corriente continua entre ellos, los iones positivos de la

disolución se mueven hacia el electrodo negativo y los iones negativos hacia el

positivo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y

transformarse en átomos neutros o moléculas; la naturaleza de las reacciones del

electrodo depende de la diferencia de potencial o voltaje aplicado.

Carga por efecto termoeléctrico

Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales

diferentes. Si se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material (este

circuito se denomina termopar), y una de las uniones se mantiene a una

temperatura superior a la otra, surge una diferencia de tensión que hace fluir una

corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría. Este fenómeno fue observado

por primera vez en 1821 por el físico alemán Thomas Seebeck, y se conoce como

efecto Seebeck.

Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del

calor.

Conductores, aisladores y semiconductores

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las

fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de

equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este

movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el

lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal

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redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los

primeros se denominan aisladores y los segundos conductores.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento

de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las

sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al

núcleo en un estado de semi libertad que les otorga una gran movilidad, tal es el

caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos

atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad

sea escasa.

Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de

situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales

semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos

que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se

comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés

radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad,

ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a

condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.

SECCION 5: LEY DE COULOMB

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.

1. Desarrollo de la Ley

Charles-Augustin de Coulomb desarrolló la balanza de torsión con la que determinó

las propiedades de la fuerza electrostática. La ley de Coulomb también conocida

como ley de cargas tiene que ver con las cargas eléctricas de un material, es decir,

depende de si sus cargas son negativas o positivas.

21

En la barra de la balanza, Coulomb colocó una pequeña esfera cargada y a

continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esfera también cargada. Luego

midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.

Dichas mediciones permitieron determinar que:

La fuerza de interacción entre dos cargas y duplica su magnitud si

alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas

aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó

entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:

y

2. Enunciado de la ley

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.

En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos

cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se

expresa como:

Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se

atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:

La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:

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Donde es un vector unitario, siendo su dirección desde la cargas que produce

la fuerza hacia la carga que la experimenta.

Al aplicar esta fórmula en un ejercicio, se debe colocar el signo de las cargas q1 o

q2, según sean éstas positivas o negativas.

El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy

en día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la

forma , entonces .

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica

que fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una

ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de

unión entre las cargas.

3. Constante de Coulomb

La constante es la Constante de Coulomb y su valor para unidades SI es

Nm²/C².

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A su vez la constante donde es la permitividad relativa, , y

F/m es la permitividad del medio en el vacío.

Cuando el medio que rodea a las cargas no es el vacío hay que tener en cuenta la

constante dieléctrica y la permitividad del material.

La ecuación de la ley de Coulomb queda finalmente expresada de la siguiente

manera

5. Potencial de Coulomb

La ley de Coulomb establece que la presencia de una carga puntual general induce

en todo el espacio la aparición de un campo de fuerzas que decae según la ley de la

inversa del cuadrado. Para modelizar el campo debido a varias cargas eléctricas

puntuales estáticas puede usarse el principio de superposición dada la aditividad de

las fuerzas sobre una partícula.

De la ley de Coumlomb se deduce que la función escalar que satisface la anterior

ecuación es:

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