Electrostática

La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado.

Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorios a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, permitiendo demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad. Existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseñanza moderna, como comprobar cómo ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura y atraen, por ejemplo, pequeños trozos de papel o pelo a un globo que previamente se ha frotado con un paño seco.

Características

• La fuerza electrostática actúa a distancia, como la fuerza gravitatoria, que se manifiesta aun cuando los cuerpos que la sufren no están en contacto mutuo.
• Cuando las cargas son varias y están distribuidas en el espacio, la fuerza sobre cada una de ellas es la resultante de la superposición de todas las fuerzas presentes debidas a cada una de las demás cargas.

Aporte de Thales de Mileto

Thales de Mileto aportó lo siguiente: al frotar el ámbar con lana, este adquiría la propiedad de poder atraer pequeños cuerpos descargados, así como pedazos de papelillos. Al hacer esto, se estudió que por frotación de dos cuerpos, iban a pasar electrones, por los cuales los cuerpos quedaban eléctricamente cargados.

Aporte de Sir William Gilbert

Fue el primero en utilizar métodos científicos al estudio de la atracción que ejerce la magnetita sobre algunos metales y la repulsión que ejerce sobre sí misma en cierta orientación. Gilbert mismo fue el primero en sugerir que la Tierra posee un campo magnético.

La mayor aportación de Coulomb a la ciencia fue en el campo de la electrostática y el magnetismo. En 1777 inventó la balanza de torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas. Con este invento, Coulomb pudo establecer el principio, conocido ahora como Ley de Coulomb: la fuerza entre las cargas eléctricas es proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Características e importancia de la estructura de la materia

En física, la materia es aquello de lo que están hechos los objetos que constituyen el Universo observable. Si bien durante un tiempo se consideraba que la materia tenía dos propiedades que juntas la caracterizan: que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa, en el contexto de la física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad o discontinuidad que se propaga a través del espacio-tiempo a una velocidad inferior a la de la velocidad de la luz y a la que se pueda asociar energía. Así, todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía, pero solo algunas formas de materia tienen masa.

La materia básica se organiza jerárquicamente en varios niveles. El nivel más complejo es la agrupación en moléculas y estas a su vez son agrupaciones de átomos. Los constituyentes de los átomos, que sería el siguiente nivel, son:

• Electrones: partículas leptónicas con carga eléctrica negativa.
• Protones: partículas bariónicas con carga eléctrica positiva.
• Neutrones: partículas bariónicas sin carga eléctrica (pero con momento magnético).

A partir de aquí hay todo un conjunto de partículas subatómicas que acaban finalmente en los constituyentes últimos de la materia. Así, por ejemplo, virtualmente los bariones del núcleo (protones y neutrones) se mantienen unidos gracias a un campo escalar formado por piones (bosones de espín cero). E igualmente los protones y neutrones, sabemos que no son partículas elementales, sino que tienen constituyentes de menor nivel que llamamos quarks (que a su vez se mantienen unidos mediante el intercambio de gluones virtuales).

La materia másica se presenta en las condiciones imperantes en el sistema solar, en uno de cuatro estados de agregación molecular: sólido, líquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teoría cinética molecular, la materia se encuentra formada por moléculas y estas se encuentran animadas de movimiento, el cual cambia constantemente de dirección y velocidad cuando chocan o bajo el influjo de otras interacciones físicas. Debido a este movimiento presentan energía cinética que tiende a separarlas, pero también tienen una energía potencial que tiende a juntarlas. Por lo tanto, el estado físico de una sustancia puede ser:

• Sólido: si la energía cinética es menor que la potencial.
• Líquido: si la energía cinética y potencial son aproximadamente iguales.
• Gaseoso: si la energía cinética es mayor que la potencial.

La manera más adecuada de definir materia es describiendo sus cualidades:

1. Presenta dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio.
2. Presenta inercia: la inercia se define como la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento.
3. La materia es la causa de la gravedad o gravitación, que consiste en la atracción que actúa siempre entre objetos materiales, aunque estén separados por grandes distancias.

Ion

En química y en física, se define al ion como un átomo o una molécula cargados eléctricamente, debido a que ha ganado o perdido electrones de su dotación normal, lo que se conoce como ionización. También suele llamársele molécula libre.

Diferencia

• Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones (que son atraídos por el ánodo).
• Los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes (los que son atraídos por el cátodo).

Electroscopio

Un electroscopio es un instrumento antiguo utilizado para detectar carga y medir potencial eléctrico. Si la esfera metálica de la parte superior se pone en contacto con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (láminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de una escala.

Características

• Al principio el lapicero está descargado (su cantidad de carga negativa es igual a su cantidad de carga positiva -está neutro-); por tanto, al acercarlo al electroscopio o tocar este, la laminilla de oro no se mueve.
• Cuando se frota el lapicero con el cabello, este le cede carga negativa (electrones) y, por tanto, el lapicero queda cargado negativamente y el cabello positivamente. Al acercar ahora el lapicero al electroscopio, rechaza las cargas negativas enviándolas a la laminilla de oro y a la parte inferior de la varilla metálica, produciéndose una repulsión (la laminilla se separa). Sin embargo, al retirar de nuevo el lapicero, la carga se vuelve a redistribuir y regresa la laminilla de oro a su posición inicial.
• Si el lapicero toca el electroscopio, le cede carga (de su exceso, en este caso negativa -electrones-; esto se debe a que el cuerpo trata de neutralizarse) quedando cargado. Por tanto, la laminilla permanece separada. Este proceso se denomina CARGAR POR CONTACTO (POR CONDUCCIÓN).
• Al tocar con el dedo el electroscopio, hace que su exceso de carga fluya a TIERRA, quedando de nuevo neutro, y por tanto regresando la laminilla a su posición inicial. TIERRA es tanto un excelente DADOR de electrones como también un excelente RECEPTOR de estos (con un efecto casi nulo sobre sus características eléctricas): es un “mar de electrones”, que neutraliza todo lo que se conecta a ella.

Ejemplo