Significado de electrostática Definición, carga eléctrica, y campo electrostático
Licenciada en Física
Definición formal
La electrostática es responsable por entender las cargas eléctricas en reposo. La carga eléctrica es una propiedad de la materia, al igual que la masa y reside en las partículas que conforman el átomo.
Básicamente el átomo consta de protones, electrones y neutrones, los primeros, junto con los neutrones, forman parte del núcleo y tienen carga eléctrica positiva, mientras que los neutrones carecen de ella. Por su parte los electrones que rodean al núcleo tienen carga de tipo negativo.
Una característica muy importante de la carga eléctrica, es que si son de igual signo se repelen, mientras que las de distinto signo se atraen. Esta fuerza de atracción electrostática contribuye a la estabilidad del átomo y por ende, la de la materia misma.
Con frecuencia el átomo se encuentra en estado neutro, porque la cantidad de protones iguala a la de los electrones. Sin embargo, los electrones más externos en algunos materiales están menos ligados a sus núcleos y en consecuencia pueden desplazarse fácilmente por el material. Los metales están favorecidos con esta característica y gracias a ella son buenos conductores de la electricidad.
Por su parte los aislantes carecen de estos electrones menos ligados y por eso no son buenos conductores de electricidad.
Pese a todo, la materia es capaz de perder o adquirir electrones, y por ello dejar de lado la neutralidad. De esta manera puede participar en diversas interacciones eléctricas. Este proceso se llama ionización.
No es difícil que algunos objetos logren carga eléctrica neta, por ejemplo por frotamiento. Frotando un trozo de ámbar (resina vegetal fosilizada muy apreciada) con un paño de lana, se logra que el ámbar atraiga pequeños objetos, esto ya era bien conocido desde la antigüedad por los griegos. Lo mismo sucede cuando se peina el cabello con un peine de plástico y este luego atrae pedacitos de papel o saltan chispas cuando la ropa pasa mucho rato girando en la secadora.
Los rayos o descargas eléctricas durante las tormentas son impresionantes manifestaciones naturales de la electricidad en el ambiente.
Estos fenómenos suelen llamarse genéricamente electricidad estática y tienen diversidad de aplicaciones, aunque por otro lado es preciso tener precauciones, pues la electricidad estática incontrolada puede causar accidentes serios.
La cuantización de la carga eléctrica
En la naturaleza, la carga más pequeña que puede encontrarse aislada es la carga del electrón. La unidad para la carga eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades se llama coulomb y se abrevia C.
La carga del electrón, también llamada carga fundamental es −1.62 x 10 -19 C y cualquier otra carga aislada es múltiplo de esta, por eso se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Claro que esta carga es tan pequeña que a nivel macroscópico esta cuantización no se nota.
El protón, por su parte, tiene una carga de la misma magnitud, pero positiva, y como un átomo por regla general tiene igual número de protones que de electrones, se mantiene eléctricamente neutro.
Este valor es inalterable para electrones y protones, es decir, ellos tendrán siempre esta carga sin importar lo que suceda, ya que es una propiedad intrínseca de dichas partículas.
Las leyes de la electrostática
La ley de Coulomb fue descubierta experimentalmente por el físico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) y describe cómo es la interacción entre dos cargas puntuales q1 y q2. El modelo de carga puntual considera a los objetos cargados como puntos sin tamaño mensurable, algo que simplifica notablemente los cálculos y puede hacerse sin problema, siempre y cuando la distancia entre las cargas supere con mucho las dimensiones de estas.
La ley de Coulomb se enuncia así:
\(\vec{F}={{k}_{e}}\frac{{{q}_{1}}.{{q}_{2}}}{{{r}^{2}}}\overset{\lower0.5em\hbox{$\smash{\scriptscriptstyle\frown}$}}{r}\)
Donde:
• \(\vec{F}\)es la fuerza con la que interactúan las cargas
• q1 y q2 son las magnitudes de las cargas en cuestión.
• r es la distancia que las separa
• \(\hat{r}\)es el vector unitario en la dirección de la línea que une las cargas
• ke es la constante electrostática, cuyo valor es aproximadamente 9∙109 N∙m2/C2
El campo electrostático
Uno de los conceptos más revolucionarios en la ciencia es el concepto de campo. Hay fuerzas, como la de la gravedad, que se ejercen sin que necesariamente los objetos tomen contacto directo entre sí. La fuerza electrostática pertenece también a esta clase de fuerzas, llamadas de acción a distancia, ya que las cargas no tienen que tocarse para experimentar la interacción.
Una carga eléctrica percibe inmediatamente la presencia de otra carga en las inmediaciones ¿Cómo se las arregla para detectarla sin que exista algún medio de transporte? ¿Y cómo puede viajar tan rápido la información?
Para explicarlo, el físico inglés Michael Faraday (1791-1867) introdujo el concepto de campo y así explicar cómo actúan las leyes de atracción y repulsión eléctricas. Un campo eléctrico es la influencia que tiene una carga eléctrica en el espacio que la rodea y que percibe otra carga eléctrica que acierta a pasar por las cercanías.
Para saber cómo es el campo eléctrico que produce una carga puntual positiva q, se coloca una carga de prueba también positiva, muy pequeña qo en su cercanía. La carga de prueba se va colocando en diversos puntos alrededor de la carga q, dibujando las líneas de fuerza entre ambas. En cada punto que ocupa la carga de prueba, existe un campo eléctrico que es un vector saliente a la carga q, son las líneas radiales mostradas en la figura.
Aún si se retira la carga de prueba, este campo sigue existiendo en todos los puntos alrededor de q, ya que esta lo produce, pero la interacción (la fuerza) solo existe cuando qo u otra carga se encuentra allí para reaccionar ante el campo.
Matemáticamente, el campo eléctrico en un punto se define entonces como la fuerza por unidad de carga en el límite cuando esta carga es muy pequeña:
\(\vec{E}=\underset{{{q}_{o}}\to 0}{\mathop \lim }\,\frac{{\vec{F}}}{{{q}_{o}}}\)
\(\vec{E}=\underset{{{q}_{o}}\to 0}{\mathop \lim }\,\frac{{{k}_{e}}\left( \frac{q\cdot {{q}_{o}}}{{{r}^{2}}} \right)\hat{r}}{{{q}_{o}}}\)
\(\vec{E}=\frac{{{k}_{e}}q}{{{r}^{2}}}\hat{r}\)
Nótese que el campo eléctrico es un vector, que en el caso de una carga puntual positiva, tiene dirección radial y es saliente a la carga. Es directamente proporcional a la magnitud de la carga que lo produce e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la carga y el punto donde se calcula el campo. Si se hubiera colocado una carga q negativa en vez de positiva, manteniendo la carga de prueba positiva, la fuerza sería de atracción y por lo tanto el campo eléctrico sería entrante a la carga.
Al ser fuerza por unidad de carga, las unidades del campo eléctrico en el Sistema Internacional son N/C (newton/coulomb). En estos términos, la fuerza que experimenta la carga de prueba, gracias al campo eléctrico \(\vec{E}\) viene dada por:
\(\vec{F}={{q}_{o}}\vec{E}\)
Trabajo publicado en: Ene., 2021.