Tema 3: Interacción Electrostática

1. 3. Interacción Electrostática Interacción electrostática: Ley de Coulomb . Campo y potencial electrostáticos; energía potencial electrostática. Teorema de Gauss. Cálculo del campo s. C ampo electrostático en la materia. Conductores y aislantes.

2. 1. Interacción E lectrostática: 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.

3. 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.

4. 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)

5. Características de la carga eléctrica: Es d iscontinua , ya que e stá asociada a partículas subatómicas ( protones y electrones). Un cuerpo cargado sólo puede tener una carga que sea un múltiplo de la carga del electrón . Es a ditiva : la carga total es la suma de las cargas. Dos tipos: positiva (+) y negativa ( - ). Los cuerpos neutros tienen igual nº de cargas positivas y negativas.

6. 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. D epende del medio en el que se encuentren las cargas .

7. 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 ." K (constante eléctrica): depende del medio. ε (permitividad eléctrica).

8. 2. Campo y potencial electrostáticos; energía potencial electrostática. 2.1 Campo Electrostático (E) P ropiedad d el espacio creada por una carga Q que produce una fuerza electrost á tica sobre otra carga q en dicho espacio. Unidades:

9. 2.2 Energía potencial electostática (Epe) E nerg í a almacenada por un a carga q situada en el interior de un campo electrost á tico . Es, por tanto, la energ í a potencial asociada a la fuerza electrost á tica. 2.3 Potencial electrost á tico (V) Propiedad del espacio que mide la e nerg í a por unidad de carga que alma cenar í a cualquier carga situads en ese punto. Es, por tanto, la funci ó n potencial asociada al campo electrost á tico.

10. 2.4 Magnitudes asociadas a distintas distribuciones de carga Campo y potencial creados por una carga puntual (Q): Fuerza y energía potencial sobre una carga q debida a la interacción con Q: Varias cargas puntuales:

11. 3. Teorema de Gauss. Cálculo de campos . Enunciado: El flujo total que atraviesa una superficie cerrada en el interior de un campo electrost á tico es proporcional a la carga encerrada por dicha superficie . Si E es constante: Campo en el exterior de una esfera: Misma acción que carga puntual situada en el centro de la esfera. Campo en el interior de una esfera hueca:

12. Campo en el interior de un condensador: D os placas metálicas planas y paralelas , cargadas con cargas idénticas, pero de signo contrario. Entre las placas se genera un campo eléctrico constante .

13. 4. C ampo electrostático en la materia. Conductores y aislantes. 4.1 Dipolo C uerpo neutro en el que las cargas positiva y negativa están separada s. Momento dipolar:

14. 4.2 Conductores Pueden conducir la corriente eléctrica. Poseen cargas libres . Capacidad de un conductor: R elación entre la carga acumulada y el potencial almacenado por un conductor. Unidades Capacidad de un conductor esférico Capacidad de un condensador: C sólo depende de las características del conductor (geometría y del material dieléctrico) , n o de la cantidad de carga que se le haya suministrado .

15. 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.

16. 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. Dieléctrico s apolares : En sus moléculas no existe separación de cargas, no son dipolos.

17. 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