Inducción eléctromagnética y flujo variable en el tiempo

Flujo magnético variable en el tiempo

Descubre la Inducción eléctromagnética y el flujo electrico variable en el tiempo que provoca el campo magnético en los conductores. Vimos cómo una corriente eléctrica, o bien cargas eléctricas en movimiento son, en último análisis, las que producen el campo magnético. Cabe preguntarse si, bajo ciertas circunstancias, sería posible que un campo magnético provocara el movimiento de una carga eléctrica. La respuesta es afirmativa. Y a este fenómeno se le conoce con el nombre de inducción electromagnética.

Por simplicidad, consideremos una espira plana en un campo magnético uniforme B. Al variar la intensidad del campo magnético B, se observa que en la espira se genera una corriente i cuya magnitud será tanto mayor cuanto mayor sea la rapidez con la que varía el campo B. Asimismo, se encuentra que la corriente es proporcional al área A de la espira. Por otra parte, la presencia de la corriente indica que se genera un campo eléctrico E dentro de la espira cuya intensidad será proporcional a la intensidad de la corriente eléctrica i. Así, el campo eléctrico E generado será proporcional al área A de la espira y a la rapidez con la que varía la inducción magnética. O sea:

donde ΔB es lo que ha variado el campo durante el tiempo Δt.

Generación de una corriente en la espira al variar en ΔA el área A de la misma.

Ley de Lenz

Consieremos ahora una espira cuya área A puede variar en el tiempo.

Observamos que al vairar el área A se generará una corriente en la espira. Su magnitud será tanto mayor cuanto mayor sea la rapidez con la que varía el área de la espira. Por otra parte, se encuentra que la corriente generada es también proporcional a la intensidad de la inducción magnética B. Como la corriente ha sido generada por un campo E dentro de la espira, se tendrá que

donde ΔA es lo que ha variado el área de la espira durante el tiempo Δt.

Ver también: Campo magnético sobre cargas en movimiento

En el primer caso, el campo E fue producido por una variación ΔB de la inducción magnética B en el tiempo Δt permaneciendo constante el área A. En el segundo caso la corriente se originó por una variación ΔA del área A en el tiempo Δt permaneciendo constante la inducción B. Al variar simultáneamente ambas cantidades se tendrá que la corriente generada será:

El producto AB representa el número de líneas de inducción magnética que encierra la espira y recibe el nombre de flujo magnético Φ_M. Entonces lo que determina la intensidad de la corriente es la rapidez con la que varía el flujo magnético en la espira.

Por otra parte, el sentido de la corriente deberá ser tal que la dirección del campo magnético que genera tenderá a oponerse al cambio en el número de líneas de inducción encerradas por la espira.

Al hecho experimental anteriormente enunciado se le conoce como ley de Lenz.

Este hecho es el que se emplea para transformar energía eléctrica en mecánica. Al hacer girar mecánicamente, de manera uniforme, alrededor del eje se produce en la espira una corriente alterna. Esto es, una corriente que durante cierto intervalo de tiempo fluye en una dirección y al siguiente intervalo fluye en dirección contraria. Esto se debe a que durante un intervalo el flujo magnético va aumentando, mientras que durante el siguiente intervalo el flujo magnético va disminuyendo.

Flujo eléctrico variable en el tiempo

Existe, por último, otra ley de inducción que se refiere a la generación de un campo magnético cuando varía el flujo eléctrico en ausencia de corriente eléctrica.

Mientras se carga el condensador ilustrado en la imagen, la intensidad del campo eléctrico aumenta desde E=0 hasta un valor máximo E=E₀. Mientraseste proceso se efectúa se genera un campo magnético. En la imagen se indica una de las líneas de inducción magnética. Se encuentra que la magnitud de este campo es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo eléctrico en la superficie de área A. Esto es:

La dirección del campo magnético se ilustra en la imagen:

Ejemplo del campo eléctrico de una carga puntual positiva.

Leyes del electromagnetismo

Para terminar, resumiremos, aunque en forma simplificada, las cuatro leyes fundamentales del electromagnetísmo:

1. El campo eléctrico producido por una carga puntual tiene el aspecto mostrado en la siguiente figura, y su magnitud en un punto es proporcional a la carga q e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a ella.






Al cargar las placas del condensador, al aumentar el campo eléctrico E se  genera un campo magnético B.



2. No existen polos magnéticos aislados.
3. La generación de un campo eléctrico cuando el flujo de campo magnético varía en el tiempo.
4. La generación de un campo magnético cuando el flujo de campo eléctrico varía en el tiempo

Campo magnético sobre cargas en movimiento

Fuerzas que un campo magnético B produce sobre una carga en movimiento

Campo magnético sobre cargas en movimiento

Descubre cómo calcular la fuerza que un campo magnético ejerce sobre las cargas en movimiento, así como el valor de la corriente eléctrica. Supongamos que una carga positiva q se mueva con una velocidad ν perpendicularmente a las líneas de inducción magnética B de un campo uniforme.

Experimentalmente se encuentra que el campo magnético ejerce una fuerza F sobre la carga que es perpendicular a los vectores ν y B. Y de magnitud

F = q ν B sen α

Donde:

F = N
q = C
ν = m/s
B = T

El sentido y dirección de la fuerza F puede determinarse empleando la regla de la mano izquierda. Si el dedo pulgar apunta en la dirección de B y el índice en la de ν, el indice medio, colocado perpendicularmente a los dos primeros, apuntará en la dirección de la fuerza F.

En general, la componente de ν normal a B es la que determina la magnitud de la fuerza. Si α es el ángulo formado por los vectores ν y B, entonces

F = q ν _┴ B = q ν B sen α

La dirección y sentido de la fuerza se obtiene aplicando la regla de la mano izquierda con los vectores y _┴ (la componente de perpendicular a ).

Fuerza sobre una carga en movimiento cuando su velocidad no es normal al campo magnético.

Cálculo de la corriente eléctrica en función de las cargas en movimiento

Calculamos ahora la fuerza que un campo magnético uniforme B ejerce sobre un alambre recto de longitud l por el cual fluye una corriente i. Para esto, debemos primero encontrar el valor de la corriente en términos de las cargas en movimiento.

Para el cálculo de la corriente eléctrica en función de las cargas en movimiento.

Ver también: El campo magnético que produce una corriente eléctrica

Suponemos que cada electrón de carga e se mueve con una velocidad . Y por lo tanto, en un tiempo Δt el electrón se moverá una distancia ν Δt. En este tiempo, el número de electrones que cruzan el área sombreada A será igual al número de electrones contenidos en el volumen A ν Δt. Si el número de electrones libres por unidad de volumen es n, entonces el número de electrones que cruzan el área en el tiempo Δt es n A ν Δt. Y puesto que la carga de cada electrón es e, la corriente será:

i = (n A ν Δt e) / Δt = n e A ν

La dirección de esta corriente es, por convención, opuesta a la dirección en que se mueven los electrones, como se indica en la figura. Supondremos que el alambre es perpendicular al campo magnético. Así, una carga +e que pase por el conductor experimentará una fuerza f = e ν B, ya que su velocidad es perpendicular a B.

Para el cálculo de la fuerza que un campo magnético uniforme ejerce sobre la longitud l de un alambre recto por el que fluye una corriente i.

En la longitud l considerada, el número de cargas es N = n l A, así la fuerza total F sobre estas cargas es

F = N f = n l A e B = (n e A ν) l B

y, empleando la expresión de la corriente i,

F = i l B

Espira rectangular en un campo magnético constante

En el caso en que el conductor forme un ángulo α con la dirección del campo, la fuerza sobre una longitud l del mismo será:

F = i l B sen α

Aplicaremos esta expresión al caso de una espira ractangular, que se encuentra en un campo magnético unforme B y por el cual circula una corriente i. (Las cruces indican que las líneas de inducción magnética son perpendiculares y están dirigidas hacia adentro de la imagen).

Espira ractangular en un campo megnético constante. (a) Vista de planta. (b) Vista de perfil.

La longitud de los lados a y c es l₁, la de los lados b y d es l₂. Vemos en la figura que los lados a y c son perpendiculares al campo magnético B y, por consiguiente, sobre ellos se ejercerá una fuerza igual a

F_a = F_c = i l₁ B

la fuerza sobre a será vertical y hacia arriba. La fuerza sobre c será vertical y hacia abajo. Sobre los otros lados se ejercen fuerzas iguales, aunque de sentido opuesto, cuyo valor es

F_b = F_d = i l₂ B sen α

donde α es el ángulo entre los lados b y d y el campo B.

Momento dipolar magnético y el campo magnético sobre cargas en movimiento

Aunque la fuerza resultante sobre la espira es cero, su torca no lo es. La torca T del par de fuerzas sobre a y c es

T = (i l₁ B) (l₂ sen α)

Pero l₁ l₂ es igual al área A de la espira, de manera que

T = i A B sen α

Si definimos ahora el producto iA como el momento dipolar magnético de la espira

M = i A

tendremos:

T = M B sen α

Comparando ésta con la torca ejercida sobre un dipolo magnético colocado en un campo uniforme, vemos que las dos expresiones son iguales. Esto hace ponderar sobre la posibilidad de que un dipolo magnético, es decir, una barra magnética, esté formado de un gran número de espiras porlas que circulan corrientes. Recordando, por otro lado, lo que se dijo al principio acerca de que todo material está formado de átomos en los que los electrones circulan alrededor del núcleo, es posible identificar las pequeñas espiras en los imanes con los electrones atómicos girando en sus órbitas. Al ser esto así, queda explicado el hecho de no encontrar polos magnéticos aislados. En realidad, la idea de polo magnético queda ahora relegada a ser un concepto secundario y sin mayor valor que el de ser útil para distinguir los dos lados de la espira por la que circula una corriente.

Generación de una corriente en la espira al variar en ΔB la intensidad de la inducción magnética B

Ahora ya sabes cómo calcular la fuerza que un campo magnético ejerce sobre las cargas en movimiento.

El campo magnético que produce una corriente eléctrica

Los electrones libres que se mueven en la misma dirección producen corriente eléctrica

La corriente eléctrica

Descubre cómo se genera el campo magnético que produce una corriente eléctrica en los alambres de las instalaciones eléctricas residenciales. En la vecindad de los cuerpos cargados existe una campo eléctrico. Al conectar dos de ellos mediante un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre, este campo eléctrico ejercerá una fuerza sobre los electrones del conductor. Y los que se encuentran libres podrán trasladarse de un lugar a otro. Se ha generado, entonces, una corriente eléctrica en el conductor.

La corriente cesará cuando los cuerpos cargados unidos por el alambre se encuentren al mismo potencial. Entonces, para mantener una corriente en el alambre, se necesita conectarlo a dos cuerpos cargados cuya diferencia de potencial permanezca constante en el transcurso del tiempo (dentro de ciertos límites). Por ejemplo, a los polos de una batería.

Si durante el tiempo Δt ha pasado la carga ΔQ por una sección de alambre, la magnitud i de la corriente eléctrica está dada por

i = ΔQ/Δt

Donde:

Q = C
t = s
i = C/s

El campo magnético que produce una corriente eléctrica

Alrededor de 1820, el físico danés H.C. Oersted encontró que al colocar un imán en la vecindad de un alambre por el que fluye una corriente, el imán sufre una desviación. Lo que muestra que se ejerce sobre él una fuerza. Así, en la vecindad del alambre se genera un campo de inducción magnética. Si el alambre es recto, las líneas de inducción son circulares normalmente al alambre y con el centro en él.

Campo magnético generado por una corriente que fluye en un alambre recto

Ver también: Energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos

En 1820, Biot y Savart encontraron la relación cuantitativa entre la inducción magnética en cualquier punto del espacio y la corriente que la produce. Considérese una pequeña longitud Δl de un alambre que lleve una corriente i. Biot y Savart encontraron que la inducción magnética en un punto P a una distancia r del pedazo de alambre está dado por

ΔB = (μ₀/π) i Δl sen α/r²

donde ΔB es la induccion magnética en el punto P. α es el ángulo entre r y la longitud del conductor considerada, y μ₀ es la permeabilidad del vacío. La inducción magnética es, como ya dijimos, un vector perpendicular al plano formado por r y Δl.

La regla de la mano derecha

Para determinar la dirección de B se emplea la llamada regla de la mano derecha: si el pulgar de esta mano apunta en la dirección de la corriente, entonces, al cerrar la mano, los otros dedos apuntarán en la dirección del campo magnético.

Como una aplicación de la ley de Biot y Savart, calcularemos el campo magnético en el centro de un alambre circular por el que fluye una corriente i.

Para el cálculo del campo magnético en el centro de una espira circular por la que fluye una corriente i

En este caso, Δl y r son perpendiculares. Así, el campo ΔB producido por el elemento Δl del alambre está dado por

ΔB = (μ₀/4π) i Δl /r²

Obsérvese que la dirección de ΔB es perpendicular al plano del alambre y apunta hacia arriba. Imaginemos ahora el alambre dividido en un número grande de pequeños arcos de longitud Δl. Al sumar los campos producidos por cada uno de los elementos, ya que r es constante y ΣΔl = 2πr, se obtiene:

B = (μ₀/2) (i/r²)

Energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos

Magnetismo

Descubre como calcular la energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos. Los imanes permanentes se han conocido desde hace muchos siglos, siendo cuerpos capaces de atraer al hierro, níquel y cobalto, principalmente. Al frotar una aguja con un imán quedará imantada. Y si se suspende de tal forma que pueda girar libremente, la aguja se orientará en una dirección bien definida. Si no hay otros cuerpos magnetizado en su vecindad, la aguja apuntará en la dirección norte-sur, aproximadamente. El extremo que apunta al norte recibe el nombre de polo norte de la aguja. El otro polo recibe el nombre de polo sur.

El polo norte de un imán repelerá al polo norte y atraerá al polo sur de otro imán. En contraste con la carga eléctrica, se encuentra que un polo magnético no puede existir aislado. Todo imán tiene siempre dos polos opuestos (un polo norte y otro sur). En general, en la naturaleza sólo ocurren dipolos magnéticos.

Otra vez, fue Coulomb quien investigó cuantitativamente la fuerza F entre polos magnéticos, encontrando que es proporcional a las intensidades de los polos p1 y p2, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r entre ellos.

Donde:

F = N
p₁ = p₂ = weber = Wb
k_m = (10⁷/16)A²/N

Si p₁ y p₂ son polos que tienen igual carga, la fuerza es repulsiva, y si tienen diferente carga la fuerza será atractiva. Además, su dirección es la de la recta que une los dos polos.

Inducción magnética

El hecho de que un imán ejerza una fuerza sobre otro indica la existencia de un campo magnético al rededor de un imán, el cual podemos explorar con la ayuda de un polo norte de un imán muy largo y de tal intensidad que su propio campo pueda despreciarse. Definimos la inducción magnética B en un punto P como el cociente de la fuerza F a la magnitud de la intensidad del polo p del imán de prueba

Donde:

F = N
p = Wb
B = Wb/m²
μ₀ = 4π x 10^-7N/A²

La inducción magnética B es una cantidad vectoríal cuya dirección en el punto P es la de la fuerza que actúa sobre el polo norte del imán de prueba. Un polo sur colocado en el punto P experimentará una fuerza cuya dirección es opuesta a la de la inducción magnética en ese punto.

Calculemos la inducción magnética B en un punto P a una distancia r del polo norte de un imán de intensidad p₁. Colocando un polo norte de intensidad p en el punto P, la fuerza entre los dos polos es, de acuerdo a la ley de Coulomb:

La inducción magnética es, por lo tanto:

B = μ₀ k_m p₁/r²

La dirección de B coincide con la dirección de la recta que une los polos y apunta de p₁ a p. La inducción magnética debida al polo sur del imán se calcula en forma semejante y la inducción total será la suma vectorial de las inducciones producidas por cada uno de los polos.

Momento magnético dipolar en campos eléctricos y magnéticos

El campo de inducción magnética puede representarse en forma análoga al campo eléctrico. Emplearemos en este caso líneas magnéticas y las dibujaremos de tal forma que el número de líneas magnéticas que cruza la unidad de área de una superficie plana normal al vector de inducción magnética en un punto dado, es proporcional a la magnitud de este vector. En el caso de un campo magnético uniforme, las líneas magnéticas serán un conjunto de líneas paralelas e igualmente espaciadas.

Ver también: Michael Faraday y el campo electromagnético

Un concepto muy importante es el de momento magnético dipolar de un imán. Considérese un imán muy largo de longitud l, y sea p la intensidad de sus polos. El producto de estas dos cantidades se conoce como momento magnético dipolar M del imán:

M = p l

Además, es un vector cuya orientación coincide con la dirección sur-norte del imán

Al colocar un imán en un campo magnético uniforme de inducción B, sobre cada polo se ejercerá una fuerza magnética, de magnitud pB/μ₀, como se muestra en la imagen.

Fuerza que ejerce un campo magnético sobre los polos de un imán.

Las dos fuerzas constituyen un par, cuya torca T es:

T = (pB/μ₀) l sen α = (MB/μ₀) sen α

donde α es el ángulo entre el eje del imán y la dirección del campo B. Si el imán se gira por un ángulo Δα, el trabajo realizado será

ΔW = (MB/μ₀) sen α Δα

El trabajo que hay que efectuar sobre un imán para que pase de una posición normal a otra paralela a B estará dada por

W = MB/μ₀

Puede considerarse que toda substancia consiste de un gran número de imanes elementales. Cuando el material no está magnetizado, los pequeños imanes están orientados de una forma desordenada, mientras que al colocarla en un campo magnético, los imanes elementales tienden a orientarse en la dirección del campo debido a la torca que cada uno de ellos experimanta. El grado de orden en la orientación determina la intensidad de los polos del material que ha sido magnetizado.

Energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos

Se puede demostrar que la capacitancia de un condensador de placas paralelas de área A, separadas por la distancia d, y que se encuentra en el vacío, esta dada por

C = ϵ₀ A/d

Donde:

C = F
A = m²
d = m
ϵ₀ = 8.85 x 10^-12 F/m

El trabajo que hay que hacer al cargar un cuerpo es:

W = CV²/2

En el caso del campo eléctrico E uniforme del condensador, la diferencia de potencial V entre las placas está dada por:

V = Ed

de donde se sigue que el trabajo que hay que hacer para cargar un condensador es:

W = Cd²E² = ϵ₀E²(Ad)/2

Pero Ad es el volumen de la región comprendida entre las placas del condensador, de modo que la energía por unidad de volumen en el campo eléctrico del condensador es:

U_E = ϵ₀E²/2

De modo semejante, puede demostrarse que la cantidad de energía almacenada por unidad de volumen en un campo magnético es:

U_M = B²/2 μ₀

¿Que te parecieron los conceptos sobre la energía almacenada en campos eléctricos y magnéticos?

Qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas

Descubre qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas y cómo permite la carga de un material conductor. En física, se llama carga eléctrica a una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas. Se hace evidente por fuerzas de atracción o de repulsión entre ellas, a través de campos electromagnéticos.

La materia está compuesta por átomos, y es eléctricamente neutra. Es decir, no está cargada a menos que algún factor externo la cargue. Los átomos poseen la misma cantidad de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) que de partículas con carga eléctrica positiva (protones).

Sin embargo, la materia puede cargarse eléctricamente. Es decir, puede ganar o perder carga. Y así, quedar cargada en forma negativa o positiva. La materia cargada genera un campo eléctrico, un campo de fuerzas eléctricas. La fuerza electromagnética es una de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza.

Qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas

Para desplazar una carga q en un campo eléctrico desde el punto A al punto B será necesario, en general, efectuar un trabajo. Se define la diferencia de potencial V entre A y B como el trabajo realizado W dividido entre la carga q.

V = W/q

Donde:

W = trabajo en joules (J)

q = Carga en coulombs (C)

V = Diferencia de potencial en volts (V)

Cuando lo que interesa es la diferencia de potencial entre un punto fijo A y cualquier otro B, se habla simplemente de potencial del punto B. Al potencial del punto A puede dársele el valor cero. Puede calcularse muy fácilmente el potencial del punto r cuando el campo eléctrico se produce por una carga puntual Q ubicada en r = 0.

Al potencial del punto en el infinito se le asigna el valor cero. Entonces, el potencial del punto r será igual al trabajo que hay que efectuar sobre la carga unidad al desplazarla del infinito hasta la posición r:

En este caso, la diferencia de potencial V_AB entre los puntos A y B, estará dada por

Esto es, la diferencia de potencial será igual al trabajo que se efectua sobre una carga unidad para trasladarla del punto A al punto B.

Qué es la energía potencial

El trabajo efectuado para trasladar la carga q desde el infinito hasta el punto A, estará dada por

Este trabajo es precisamente la energía potencial que se almacena en el sistema formado por las dos cargas Q y q separadas porla distancia r_A.

Los puntos de igual potencial definen una superficie llamada superficie equipotencial. La superficie equipotencial que pasa por el punto P es normal al vector de intensidad eléctrica E_P en ese punto.

En el caso del campo generado por una carga puntual, las superficies equipotenciales son esferas con centro en la carga. La superficie de un conductor cargado es también una superficie equipotencial.

Trabajo realizado al cargar un conductor

Imaginemos que al cargar un conductor se procede por etapas, en cada una de las cuales se agrega una pequeña carga Δq. Si el conductor se encuentra al potencial V, al llevar la carga Δq desde el infinito hasta la superficie del conductor se efectuará el trabajo

ΔW = VΔq

Como éste es el trabajo efectuado en cada etapa, el trabajo total que se efectuará hasta colocar en el condutor la carga Q, será igual a la suma de los trabajos efectuados en cada etapa. Matemáticamente, lo anterior se expresa como

           W = ΣΔW = ΣΔq          (*)

El símbolo Σ (sigma) indica que debe efectuarse una suma. Por otra parte, se encuentra experimentalmente que la carga q depositada sobre la superficie de un conductor es proporcional al potencial V de la superficie, esto es

           q = CV          (**)

La constante de proporcionalidad recibe el nombre de capacitancia o capacidad del conductor.

Si [q] = C y [V] = V, entonces [C] = coulomb/volt = farad = F, y C dependerá exclusivamente del tamaño y de la geometría del cuerpo, y del medio donde se encuentra.

Substituyendo el potencial dado en (**) en la expresión(*), se tendrá que:

donde Q y V representan la carga y el potencial finales del conductor.

¿Conocías qué es la diferencia de potencial entre cargas eléctricas?

Superposición de las fuerzas eléctricas y el campo eléctrico

Descubre la superposición de las fuerzas eléctricas y su relación con el campo eléctrico. La fuerza eléctrica que una carga ejerce sobre otra es un vector. Esto quiere decir lo siguiente: consideremos un sistama formado por las cargas q₁, q₂, q₃.

La fuerza eléctrica es un vector. (a) F₁ es la fuerza que ejerce q1 sobre q3 en ausencia de q2. (b) F₂ es la fuerza que q₂ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₁. (c) F es la fuerza que q₁ y q₂ ejercen sobre q₃.

Si es la fuerza que q₁ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₂ y  es la fuerza que q₂ ejerce sobre q₃ en ausencia de q₁, entonces la fuerza F₃ ejercida sobre q₃ bajo el influjo simultaneo de q₁ y q₂ es

Superposición de las fuerzas eléctricas y el campo eléctrico

La fuerza que una carga experimenta debido debido a una distribución de carga dependerá no sólo de la naturaleza de esta distribución sino tambiénde la posición de la primera carga, de su magnitud y de su signo.

Se observa que, cuando la magnitud de la carga es pequeña, la fuerza ejercida es proporcional a esta magnitud. Esto es,

El vector dependerá, entonces, solamente de la distribución de carga y de la ubicación de q. Cuando se especifica el valor que tiene para todos los puntos de una región, se dice que se conoce como el campo eléctrico en esa región. El valor de en un punto dado recibe el nombre de intensidad eléctrica o intensidad del campo en ese punto.

Principalmente para representar en un gráfico el campo eléctrico, se introduce la idea de línea de fuerza como se muestra en la figura.

Línea de fuerza

Es decir, el vector de intensidad eléctrica en el punto P es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. El sentido de la línea es la del campo eléctrico.

Además, para dar una idea adecuada del campo, el número de líneas que atraviesan por unidad de área de una superficie normal al vector de campo eléctrico en el punto P, por ejemplo, es proporcional a la intensidad de campo E_p.

El número de líneas de fuerza que pasan por unidad de área de una superficie normal al campo en el punto P es proporcional a la magnitud E_p del campo en ese punto.

A continuación, ilustramos algunos campos eléctricos producidos por diferentes distribuciones de carga.

Ejemplos de campos eléctricos. (a) Carga puntual positiva. (b) Carga puntual negativa. (c) Dos cargas de signo opuesto. (d) Dos cargas de igual signo. (e) Dos placas paralelas con carga de signo contrario.

La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Descubre la La ley de Coulomb y la conservación de la carga, para calcular la fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo. Charles Agustín Coulomb, físico francés (1736-1806), determinó experimentalmente que la magintud de la fuerza F que un cuerpo de carga q₁ ejerce sobre otro de carga q₂ es directamente proporcional a la magnitud de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r que los separa, O sea

F_1→2 = k_E (q₁ q₂)/r²

Esta expresión es válida cuando las dimensiones lineales de los cuerpos cargados son pequeños en comparación con la distancia que los separa. k_E es la constante electrostática y su valor depende del medio donde se encuentra las cargas. Para el vacío, k_E = 9 x 10⁹ Nm²/C². En la figura se indica la dirección y el sentido de la fuerza F_1→2 cuando las cargas tienen el mismo signo y cuando tienen signo opuesto.

La ley de Coulomb y la conservación de la carga

Según Franklin los cuerpos tienen una cantidad de electricidad normal. Cuando un cuerpo es frotado contra otro, parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo a otro, de modo que uno queda con exceso y el otro con defecto. Este modelo presupone la existencia de un principio de conservación de la carga.

Ver también: La ley de Charles Coulomb

Según el principio de conservación de la carga, en un sistema aislado la carga se conserva. Es decir, la suma de las cargas positivas y negativas permanece contante. Debido a que la electrización de la materia es un intercambio de electrones, es frecuente utilizar su carga como unidad elemental de carga. La carga eléctrica de un material siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un electrón.

De esta forma, son los electrones y los protones las principales partículas subatómicas responsables de la aparición de la electricidad. Ésta se puede originar o transmitir provocando el movimiento de cargas eléctricas de un punto a otro.

¿Por qué mi cabello tiene mucha electricidad?

La palabra "estático" significa falto de movimiento. Por lo tanto, la electricidad estática es una carga eléctrica sin movimiento. Todos los materiales están hechos de átomos. Un átomo es la partícula más pequeña de un material que todavía conserva las propiedades de dicho material. Cada átomo está formado por un núcleo con carga positiva alrededor del cual se mueven uno o más electrones negativos. En reposo, la carga positiva del núcleo es igual a la suma de las cargas negativas de todos los electrones que giran a su alrededor. Esto significa que la carga es neutra.

Si el núcleo gana o pierde electrones, se produce un desequilibrio. Un átomo que pierde uno o más electrones pasa a tener carga positiva, mientras que un átomo que gana uno o más electrones pasa a tener carga negativa, y se conoce como ión. Solo existen dos tipos de carga: positiva y negativa. Los átomos que tienen el mismo tipo de carga se repelen, mientras que los que tienen cargas opuestas se atraen.

La electricidad estática es un fenómeno de las superficies que se genera cuando dos o más cuerpos entran en contacto y se separan de nuevo. Esta acción da lugar a una separación o transferencia de electrones negativos de un átomo a otro. El nivel de carga (la fuerza del campo) depende de varios factores: el material y sus propiedades físicas y eléctricas, la temperatura, la humedad, la presión y la velocidad de separación. Cuanto mayor es la presión o la velocidad de separación, mayor es la carga.

Ver también: Fenómenos electrostáticos

A muchas mujeres les pasa que tras lavar, peinar y secar su cabello, este adquiere un aspecto rebelde, erizándose y quedándose tieso. Esto es debido a una acumulación de electricidad estática, la cual puede estar causada por varios factores como el roce con tejidos sintéticos, los cambios de temperatura, los componentes de nuestro champú e incluso por la forma de cepillarnos el cabello.
En el siguiente vídeo, publicado originalmente en el canal de YouTube de Aeril Quenn, se habla sobre la problemática de la electricidad estática en el cabello.

Cargas electrostáticas

Como sabemos, el átomo está constituido por protones con carga positiva (+), electrones con carga negativa (-) y neutrones, unidos por la fuerza atómica.

La fuerza que ejercen las respectivas cargas de protones y electrones se representa gráficamente con líneas de fuerza electrostática.

Se trata de líneas imaginarias que muestran la dirección y potencia del campo; por convención y para evitar confusiones, las líneas de fuerza de la carga positiva se representan siempre saliendo de ellay las negativas entrando a la suya.

Las cargas electrostáticas interactuan entre sí, de manera natural, por medio de dos fuerzas; atracción y repulsión siempre en el mismo sentido: cargas iguales se repelen y cargas contrarias se atraen.

Para comprobarlo hagamos el siguiente experimento:

1. Infla dos globos hasta que el plástico que de tenso.
2. Corta dos hilos de 10 cm y uno de 30 cm.
3. Amarra la punta de cada hilo de 10 cm al nudo de cada globo, con la otra punta haz un pequeño lazo de manera que pueda entrar y moverse libremente por el cordel de 30 cm.
4. Frota ambos globos con un trozo de nailon, lana o sobre tu cabello (debe estar seco y libre de ungüentos).
5. Acerca los globos desde le lazo, arrastrándolos por el cordel tenso. Los globos tienen la misma carga electrostática, por lo que tenderán a separarse (repulsión)
6. Toma un nuevo globo y antes de colgarlo del cordel toca con él alguna pieza de metal y repite el paso anterior. Ahora los globos tienen cargas electrostáticas distintas, por lo que tenderán a juntarse (atracción).

Ver también: Fenómenos electrostáticos

El material con el que se frotó el globo le transmitión una sobrecarga de electrones; por tal razón, el globo obtuvo una carga negativa predominante. Al acercar otro globo con la misma carga, los globos tendieron a rechazarse (repulsión). Cuando se tocó el tercer globo con metal, le globo transmitió parte de sus electrones, por lo que obtuvo una carga positiva predominante. Al acercarse al globo con carga negativa, ambos tendieron a unirse (atracción). En resumen: los globos con cargas iguales se rechazan y los globos con cargas distintas se atraen.

Este fenómeno recibe el nombre de magnetismo y se define con la capacidad de ciertos materiales para ejercer fuerzas de atracción o repulsión sobre otros. El magnetismo es esencial para generar la energía eléctrica que recibimos en nuestras instalaciones eléctricas residenciales.

Si te gustó este artículo, tengo un anuncio que te puede interesar 👇