lunes, 21 de octubre de 2013

Interacciones eléctricas


Charles Agustín Coulomb.

     Charles Coulomb, el más grande físico francés en cuyo honor la C unidad de carga eléctrica se denomina coulomb, nació en Angoulême en 1736. 

      Fue educado en la École du Génie en Mézieres y se graduó en 1761 como ingeniero militar con el grado de primer teniente. Coulomb sirvió en las Indias Occidentales durante nueve años, donde supervisó la construcción de fortificaciones en la Martinica. 

     En 1774, Coulomb se convirtió en un corresponsal de la Academia de Ciencias de París. Compartió el primer premio de la Academia por su artículo sobre las brújulas magnéticas y recibió también el primer premio por su trabajo clásico acerca de la fricción, un estudio que no fue superado durante 150 años. 

     Durante los siguientes 25 años, presentó 25 artículos a la Academia sobre electricidad, magnetismo, torsión y aplicaciones de la balanza de torsión, así como varios cientos de informes sobre ingeniería y proyectos civiles.
     
     Coulomb aprovechó plenamente los diferentes puestos que tuvo durante su vida. Por ejemplo, su experiencia como ingeniero lo llevó a investigar la resistencia de materiales y a determinar las fuerzas que afectan a objetos sobre vigas, contribuyendo de esa manera al campo de la mecánica estructural. También hizo aportaciones en el campo de la ergonomía. Su investigación brindó un entendimiento fundamental de las formas en que la gente y los animales pueden trabajar mejor e influyó de manera considerable en la investigación subsecuente de Gaspard Coriolis (1792-1843).

     La mayor aportación de Coulomb a la ciencia fue en el campo de la electrostática y el magnetismo, en el cual utilizó la balanza de torsión desarrollada por él. El artículo que describía esta invención contenía también un diseño para una brújula utilizando el principio de la suspensión de torsión. Su siguiente artículo brindó una prueba de la ley del inverso al cuadrado para la fuerza electrostática entre dos cargas.
     
     Coulomb murió en 1806, cinco años después de convertirse en presidente del Instituto de Francia (antiguamente la Academia de Ciencias de París). Su investigación sobre la electricidad y el magnetismo permitió que esta área de la física saliera de la filosofía natural tradicional y se convirtiera en una ciencia exacta.

William Guilbert

     Nació el 24 de mayo de 1544 en Colchester, Essex (Inglaterra). 

     Cursó estudios en el Saint John's College de la Universidad de Cambridge. En 1573 comenzó a ejercer la medicina en Londres y en 1601 fue nombrado médico de Isabel I. 

     Su obra más importante, publicada en 1600, está relacionada con el estudio del magnetismo bajo el título De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Sobre el magnetismo, cuerpos magnéticos y el gran imán telúrico o Tierra). 

     Descubrió que muchas sustancias tenían la capacidad de atraer objetos ligeros cuando se frotaban y aplicó el término eléctrica para la fuerza que ejercen estas sustancias después de ser frotadas. Fue el primero en utilizar términos como 'energía eléctrica', 'atracción eléctrica' y 'polo magnético'. 
     
     William Gilbert falleció el 10 de diciembre de 1603 en Londres.

Tales de Mileto

     
     Tales de Mileto (en griego, Θαλῆς ὁ Μιλήσιος) (c. 625/4 a. C. - c. 547/6 a. C.) 1 fue un filósofo y científico griego. Nació y murió en Mileto, polis griega de la costa Jonia (hoy en Turquía). Fue el iniciador de la escuela filosófica milesia (i.e de Mileto) a la que pertenecen también Anaximandro (su discípulo) y Anaxímenes (discípulo del anterior). En la antigüedad se le consideraba uno de los Siete Sabios de Grecia. No se conserva ningún fragmento suyo y es probable que no dejara ningún escrito a su muerte. Se le atribuyen desde el s. V a.C. importantes aportaciones en el terreno de la filosofía, las matemáticas, astronomía, física etc., así como un activo papel como legislador en su ciudad natal.
Tales es a menudo considerado el iniciador de la especulación científica y filosófica griega y occidental,2 3 4 aunque su figura y aportaciones están rodeadas de grandes incertidumbres.
Se suele aceptar que Tales comenzó a usar el pensamiento deductivo aplicado a la geometría, y se le atribuye la enunciación de dos teoremas geométricos que llevan su nombre.

Benjamin Franklin 

    Benjamin Franklin (Boston, 17 de enero de 1706 - Filadelfia, 17 de abril de 1790) fue un político, científico e inventor estadounidense. Es considerado uno de los Padres Fundadores de los Estados Unidos.

     Benjamin Franklin fue el decimoquinto hijo de un total de dos hermanos (uno medios hermanos de padre y el otro hermano de padre y madre). Hijo de Josiah Franklin (1656-1744) y de su segunda esposa Abiah Folger. Su formación se limitó a estudios básicos en la South Grammar School, y solo hasta los diez años. Primero trabajó ayudando a su padre en la fábrica de velas y jabones de su propiedad. Tras buscar satisfacción en otros oficios (marino, carpintero, albañil, tornero), a los doce años empezó a trabajar como aprendiz en la imprenta de su hermano, James Franklin. Por indicación de éste, escribe sus dos únicas poesías, "La tragedia del faro" y "Canto de un marino" cuando se apresó al famoso pirata Edward Teach, también conocido como "Barbanegra".

     Abandonó este género por las críticas de su padre. Cuando tenía 15 años, su hermano fundó el New England Courant, considerado como el primer periódico realmente independiente de las colonias británicas. En dicho diario, Benjamin escribió sus primeras obras, con el pseudónimo de Silence Dogood (entrometido silencioso). Con él escribe sus primeros artículos periodísticos, de tono crítico con las autoridades de la época.
     En 1723 se estableció en Filadelfia, pero en 1724 viajó a Inglaterra para completar y acabar su formación como impresor en la imprenta de Palmer. Allí publicó Disertación sobre la libertad y la necesidad, sobre el placer y el dolor. Regresó a Filadelfia el 11 de octubre de 1726. Inicialmente trabajó como administrativo para Denham. En 1727, tras recuperarse de una pleuritis, co-fundó el club intelectual Junto, y al año siguiente estableció con su socio Meredith su primera imprenta propia. En septiembre de 1729 compró el periódico Pennsylvania Gazette, que publicó hasta 1748.
En 1730 contrajo matrimonio con Deborah Read, con la que tuvo tres hijos, William (1731), Francis (1733) y Sarah (1743). Publicó además el Almanaque del pobre Richard (1733 - 1757) y fue el encargado de la emisión de papel moneda en las colonias británicas de América (1727).

Electrostática

    La electrostática es la rama de la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

     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 laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.

 Cargar Eléctrica

     La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física.

     Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones.

    Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Qi=Qf

   
     La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.

Ley de Coulomb

     La ley de Coulomb puede expresarse como:

     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 y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.





Estructura de una materia 

     La materia es aquello de lo que están hechos los objetos que constituyen el Universo observable y el no 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 sólo algunas formas de materia tienen masa.

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

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


Interacciones eléctricas


     La interacción eléctrica junto con la gravitatoria son las dos interacciones fundamentales que se utilizan para

explicar el comportamiento de los sistemas materiales si exceptuamos el comportamiento de los núcleos atómicos.

     Los fenómenos eléctricos están relacionados con la propiedad de la materia llamada carga eléctrica, magnitud cuya unidad en el SI es el culombio.

     En el estudio de la interacción eléctrica acostumbra a distinguirse lo que ocurre entre cargas eléctricas en reposo
(electrostática) de los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas en movimiento (electrocinética y magnetismo).

     En esta unidad trataremos la ley de Coulomb de la interacción electrostática y haremos una introducción del campo electrostático. Haremos también un análisis energético de situaciones sencillas en las que participen cuerpos puntuales con carga eléctrica neta. 

Conductores


     Los elementos conductores tienen facilidad para permitir el movimiento de cargas y sus átomos se caracterizan por tener muchos electrones libres y aceptarlos o cederlos con facilidad, por lo tanto son materiales que conducen la electricidad

Aisladores

     Los aisladores son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.

Semiconductores


     Semiconductor es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo eléctrico o magnético, la presión, la radiación que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre. Los elementos químicos semiconductores de la tabla periódica se indican en la tabla adjunta.

     El elemento semiconductor más usado es el silicio, el segundo el germanio, aunque idéntico comportamiento presentan las combinaciones de elementos de los grupos 12 y 13 con los de los grupos 16 y 15 respectivamente (GaAs, PIn, AsGaAl, TeCd, SeCd y SCd). Posteriormente se ha comenzado a emplear también el azufre. La característica común a todos ellos es que son tetravalentes, teniendo el silicio una configuración electrónica s²p².


Formas de cargar un cuerpo

FROTAMIENTO


     Al frotar dos cuerpos uno con el otro, ambos se electrizan uno positiva y el otro negativamente, las cargas no se crean ni se destruyen, sino que solamente se trasladan de un cuerpo a otro o de un lugar a otro en el interior de un cuerpo dado.


El elemento mal conductor es el que adquiere carga positiva. Los elementos buenos conductores reciben con facilidad los electrones, por ello se cargan negativamente.


CONTACTO

    La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto.

INDUCCIÓN


    La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva.



Interacciones gravitatorias


     La interacción gravitatoria es la interacción consecuencia del campo gravitatorio, esto es, de la deformación del espacio por la existencia de materia.


     Su estudio comenzó con Newton, al proclamar su célebre ley de atracción universal, siendo en la actualidad desarrolladas ideas sobre la misma a partir de la relatividad general de Einstein

     Desde el punto de vista clásico, la interacción gravitatoria, es la fuerza atractiva que sufren dos objetos con masa. Esta fuerza es proporcional al producto de las masas de cada uno, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separa.


Ley de gravitación universal


     La ley de gravitación universal es una ley física clásica que describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Ésta fue presentada por Isaac Newton en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, publicado en 1687, donde establece por primera vez una relación cuantitativa (deducida empíricamente de la observación) de la fuerza con que se atraen dos objetos con masa. Así, Newton dedujo que la fuerza con que se atraen dos cuerpos de diferente masa únicamente depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa. También se observa que dicha fuerza actúa de tal forma que es como si toda la masa de cada uno de los cuerpos estuviese concentrada únicamente en su centro, es decir, es como si dichos objetos fuesen únicamente un punto, lo cual permite reducir enormemente la complejidad de las interacciones entre cuerpos complejos.


Gráfica de las instalaciones eléctricas








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