Electrostática
La electrostática es una rama de la Física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, o lo que es lo mismo, el comportamiento de las cargas eléctricas en situación de equilibrio. Dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen.
La electrostática surgió mucho antes de que se comprendiera que la electricidad y el magnetismo son fenómenos emparentados y que deben estudiarse conjuntamente.
Los antiguos griegos ya habían notado los extraños fenómenos que surgían de frotar un trozo de ámbar con lana u otros tejidos, y cómo atraían objetos pequeños con electricidad estática.
La formulación de la Ley de Coulomb en el siglo XVII y de las Leyes de Maxwell en el siglo XIX dio forma definitiva a esta disciplina de la física y sentó las bases para su inclusión en el estudio formal del electromagnetismo.
El objeto de estudio de la electrostática es la electricidad estática, definida como el fenómeno producido entre dos cuerpos que han acumulado una carga eléctrica, ya sea por inducción o por fricción.
- Carga eléctrica por frotación: Determinados objetos pueden cargarse eléctricamente tras ser frotados el uno contra el otro, ya que este contacto despoja de los electrones externos a uno y los transfiere al otro. Un objeto queda, entonces, cargado electronegativamente, mientras que el otro queda cargado electropositivamente.
- Carga eléctrica por inducción: Este mecanismo de carga eléctrica estática no requiere del contacto entre los materiales. Si un material está eléctricamente cargado con carga negativa y se lo acerca a un cuerpo eléctricamente neutro, los electrones de este último se sentirán repelidos por el exceso de electrones en el primer cuerpo y se moverán dentro del material hasta ubicarse lo más alejados posible del cuerpo cargado.
Fenómenos electrostáticos
Muchos fenómenos cotidianos nos permiten experimentar la electrostática, por ejemplo:
- Al peinarnos: Si el peine posee cierto tipo de material plástico aislante, al frotarlo repetidamente contra nuestro cabello se cargará de electrones y atraerá nuestro cabello, haciendo que se eleve o se ponga de punta. Incluso se puede usar ese peine cargado para atraer pequeños trozos de papel.
- Arrastrar los pies por la alfombra: Se debe tener puestas medias de tela, para que la electricidad estática se acumule en nuestro cuerpo y después podamos tocar a alguien directamente y sentir una pequeña descarga eléctrica entre las pieles.
- Frotar un vidrio con un paño: Si el paño es lo suficientemente grueso, el vidrio (que es un aislante) quedará cargado eléctricamente y atraerá las pequeñas partículas que haya alrededor.
Definición de las unidades eléctricas estándar
Las
unidades eléctricas se pueden describir de manera formal, y eso es lo
que hacemos aquí. Las unidades eléctricas estándar se definen en un
orden específico. El ampere se define primero. Es una unidad base del SI (sistema internacional de unidades), la única unidad eléctrica derivada del resultado de un experimento.
Ampere
La
definición de la unidad de corriente en el SI, el ampere, proviene del
estudio del magnetismo. Las corrientes eléctricas en cables dan lugar a
campos magnéticos (ley de Biot-Savart, 1820). A su vez, estos campos
magnéticos originan fuerzas magnéticas en los cables (ley de Ampère,
1825). Dos alambres paralelos en los que circula corriente ejercen una
fuerza el uno sobre el otro. La definición oficial del ampere en el SI
es:
El ampere es aquella corriente constante que, si se mantiene en dos
conductores rectos de longitud infinita, de sección transversal
despreciable, separados a un metro de distancia y en el vacío, produce
entre dichos conductores una fuerza igual a 2, times, 10, start superscript, minus, 7, end superscript newtons por metro.
La definición del ampere proviene del resultado de un experimento. Para generar 1
ampere estándar, debes realizar alguna versión del siguiente
experimento. Coloca dos cables paralelos de 1 metro de largo y encuentra
la manera de medir la fuerza en los cables (con un extensómetro).
Aplica la misma corriente a ambos cables, fluyendo en la misma
dirección. Ajusta las corrientes en los cables hacia arriba o hacia
abajo mientras mides la fuerza en los cables. Cuando la fuerza es de newtons, la corriente es de 1 ampere, por definición. (Esto es un experimento conceptual. En laboratorios de estándares modernos un ampere estándar se crea por otros medios).
Coulomb
El
coulomb es la unidad de carga del SI. La magnitud de un coulomb se
deriva del ampere, y se define como la cantidad de carga que fluye en un
segundo cuando la corriente es de 1 ampere.
o, de manera equivalente,
En 1897, J.J. Thomson probó la existencia del electrón. Doce años más
tarde, a partir de 1909, Robert Millikan realizó los experimentos con la
gota de aceite para medir la carga del electrón.
La carga de un electrón puede expresarse en coulombs como
Si invertimos esta expresión, vemos que el coulomb puede expresarse en función del número de unidades de carga del electrón:
Watt
El watt
es la unidad de potencia. La potencia es la cantidad de energía que se
transfiere o consume por unidad de tiempo; de manera equivalente, la
potencia es la tasa a la que se efectúa trabajo. En lenguaje común y
corriente, el watt es la potencia necesaria para transferir 1 joule de
energía en un segundo.
Volt
El volt es la unidad de diferencia de potencial eléctrico, también conocida como voltaje.
Oficialmente, 1 volt se define como la diferencia de potencial que se
establece entre dos puntos de un alambre que transporta una corriente de
1 ampere cuando la potencia que disipa es de 1 watt.
1, start text, v, o, l, t, end text, equals, 1, start text, w, a, t, t, end text, slash, start text, a, m, p, e, r, e, end text
El volt también puede expresarse en términos de unidades de energía y de carga como:
Puedes
encontrar una descripción intuitiva del voltaje en el artículo
introductorio sobre magnitudes eléctricas básicas. Además, hay una
derivación formal del concepto de voltaje en la sección de
electrostática.
Ohm
El ohm
es la unidad de resistencia eléctrica. Un ohm se define como la
resistencia entre dos puntos de un conductor cuando se aplica 1 volt
entre ellos y fluye 1 ampere de corriente.
Ya hemos definido, en orden, un conjunto básico de nuestras unidades eléctricas favoritas.
Sistemas de unidades
En los últimos 200 años, han existido tres sistemas principales de unidades científicas:
- SI
- MKS
- cgs
El SI es el sistema internacional de unidades, en francés, Système International
d'Unités. Es la expresión moderna del sistema métrico decimal y el más
usado. El SI se publicó en 1960 como resultado de discusiones que
comenzaron en 1948, y se basa en el sistema metro-kilogramo-segundo
(MKS). En Estados Unidos, el SI se utiliza en ingeniería, medicina,
gobierno, tecnología y ciencia.
El MKS
se basa en medir la longitud en metros, la masa en kilogramos y el
tiempo en segundos. Este sistema se propuso en 1901, y se utiliza
generalmente en la ingeniería y la física básica. Las unidades más
conocidas de la electricidad y magnetismo (ohm, farad, coulomb, etc.)
son unidades MKS.
El sistema cgs
se basa en medir la longitud en centímetros, la masa en gramos y el
tiempo en segundos. Se introdujo en 1874, y se utiliza comúnmente en la
física teórica. La diferencia entre los sistemas SI y cgs es mucho más
profunda que una simple escala de las unidades de longitud y masa.
Hay siete unidades fundamentales en el SI.
Las unidades fundamentales del SI
Una de las unidades básicas del SI proviene de la electricidad: el
ampere. El ampere tiene la misma categoría distinguida que el metro, el
kilogramo y el segundo. Se define por sí mismo, y no en función de
otras unidades.
Unidades del SI derivadas que se usan en la electricidad
Las unidades eléctricas faltantes son derivadas
y se forman de combinaciones de las unidades básicas del SI. Si el
ampere es la "primera" unidad eléctrica, estas unidades eléctricas
derivadas le siguen muy de cerca.
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