Electrostàtica

Electrostàtica

La electrostàtica és la branca de la física que analisa els efectes mutus que es produïxen entre els cossos com a conseqüència de les seues càrregues elèctriques, és dir, l'estudi de les càrregues elèctriques en equilibri. La càrrega elèctrica és la propietat de la matèria responsable dels fenomens electrostàtics, els efectes dels quals apareixen en forma d'atraccions i repulsió entre els cossos que la posseïxen. Històricament, l'electrostàtica va ser la primera branca del electromagnetisme en desenrollar-se. La postulació de la llei de Coulomb va ser descrita i utilisada en experiments de laboratori a partir de el XVIII, i ya en la segona mitat de el XIX les lleis de Maxwell varen concloure definitivament el seu estudi i explicació, ademés, varen permetre demostrar cóm les lleis de l'electrostàtica i les lleis que governen els fenomens magnètics poden ser analisades en el mateix marc teòric denominat electromagnetisme.

Desenroll històric

Representació de camp elèctric produït per dos càrregues.

Al voltant de l'any 600 a. C., el filòsof grec Tals de Mileto va descobrir que si fregava un tros de la resina vegetal fòssil anomenada àmbar, en grec élektron, este cos adquiria la propietat d'atraure menuts objectes. Alguna cosa més vesprada, un atre grec, Teofrasto (310 a. C.), va realisar un estudi dels diferents materials que eren capaços de produir fenomens elèctrics i va escriure el primer tractat sobre l'electricitat.

A principis de el XVII comencen els primers estudis sobre l'electricitat i el magnetisme orientats a millorar la precisió de la navegació en brúixolas magnètiques. El físic real britànic William Gilbert utilisa per primera volta la paraula electricitat, creada a partir del terme grec elektron (àmbar). El jesuïta italià Niccolo Cabeo va analisar els seus experiments i va anar el primer en comentar que hi havia forces d'atracció entre certs cossos i de repulsió entre uns atres.

Al voltant de 1672 el físic alemà Otto von Guericke construïx la primera màquina electrostàtica capaç de produir i almagasenar energia elèctrica estàtica per rozamiento. Esta màquina consistia en una bola de sofre travessada per una vareta que servia per a fer girar la bola. Les mans aplicades sobre la bola produïen una càrrega major que la conseguida fins a llavors. Francis Hawksbee va perfeccionar cap a 1707 la màquina de fricció usant una esfera de vidre.

En 1733 el francés Francois de Cisternay du Fay va propondre l'existència de dos tipos de càrrega elèctrica, positiva i negativa, constatant que:

• Els objectes fregats contra l'àmbar es repelixen.
• També es repelixen els objectes fregats contra una barra de vidre.
• No obstant, els objectes fregats en l'àmbar atrauen els objectes fregats en el vidre.

Du Fay i Stephen Gray varen ser dos dels primers "físics elèctrics" en freqüentar places i salons per a popularisar i entretindre en l'electricitat. Per eixemple, es electriza a les persones i es produïxen descàrregues elèctriques des d'elles, com en el cridat bes elèctric: es electrificaba a una dama i després ella dar a una persona no electrificada.

En 1745 es varen construir els primers elements d'acumulació de càrregues, els condensadores, cridats incorrectament per anglicisme capacitores, desenrollats en l'Universitat de Leyden (hui Leiden) per Ewald Jürgen Von Kleist i Pieter Van Musschenbroek. Estos instruments, inicialment denominats botelles de Leyden, varen ser utilisats com a curiositat científica durant gran part de el XVIII. En esta época es varen construir diferents instruments per a acumular càrregues elèctriques, en general variants de la botella de Leyden, i uns atres per a manifestar les seues propietats, com els electroscopis.

En 1767, Joseph Priestley va publicar la seua obra The History and Present State of Electricity, sobre l'història de l'electricitat fins a eixa data. Este llibre seria durant un sigle el referent per a l'estudi de l'electricitat. En ell, Priestley anuncia també algun dels seus propis descobriments, com la conductivitat del carbó. Fins a llavors es pensava que solament l'aigua i els metals podien conduir l'electricitat.

En 1785 el físic francés Charles Coulomb va publicar un tractat en el que es descrivien per primera volta cuantitativamente les forces elèctriques, es formulaven les lleis d'atracció i repulsió de càrregues elèctriques estàtiques i s'usava la balança de torsió per a realisar medicions. En el seu honor, el conjunt d'estes lleis es coneix en el nom de llei de Coulomb. Esta llei, junt en una elaboració matemàtica més profunda a través del teorema de Gauss i la derivació dels conceptes de camp elèctric i potencial elèctric, descriu la casi totalitat dels fenomens electrostàtics.

Durant tot el sigle posterior es varen succeir alvanços significatius en l'estudi de l'electricitat, com els fenomens elèctrics dinàmics produïts per càrregues en moviment en l'interior d'un material conductor. Finalment, en 1864 el físic escocés James Clerk Maxwell va unificar les lleis de l'electricitat i el magnetisme en un conjunt reduït de lleis matemàtiques.

Electricitat estàtica

Artícul principal → Electricitat estàtica.

L'electricitat estàtica és un fenomen que es deu a una acumulació de càrregues elèctriques en un objecte. Esta acumulació pot donar lloc a una descàrrega elèctrica quan dit objecte es posa en contacte en un atre.

Abans de l'any 1832, que va ser quan Michael Faraday va publicar els resultats dels seus experiments sobre l'identitat de l'electricitat, els físics pensaven que l'electricitat estàtica era alguna cosa diferent de l'electricitat obtinguda per atres métodos. Michael Faraday va demostrar que l'electricitat induïda des d'un iman, l'electricitat produïda per una bateria, i l'electricitat estàtica són totes iguals.

L'electricitat estàtica es produïx quan certs materials es freguen un contra l'atre, com a llana contra plàstic o les solgues de sabates contra l'estora, a on el procés de fregada causa que es retiren els electrons de la superfície d'un material i es reubiquen en la superfície de l'atre material que oferix nivells energètics més favorables. O quan partícules ionizadas es depositen en un material, com ocorre en els satèlits en rebre el fluix del vent solar i dels cinturons de radiació de Van Allen. La capacitat d'electrificació dels cossos per rozamiento es denomina efecte triboeléctrico; existix una classificació dels distints materials denominada seqüència triboeléctrica.

L'electricitat estàtica s'utilisa comunament en la xerografia, en filtres d'aire, en algunes pintures d'automòvil, en alguns acceleradors de partícules subatòmiques, etc. Els menuts components dels circuits electrònics poden danyar-se fàcilment en l'electricitat estàtica. Els seus fabricants usen una série de dispositius antiestàtics i embalages especials per a evitar estos danys. Hui la majoria dels components semiconductors d'efecte de camp, que són els més delicats, inclouen circuits interns de protecció antiestàtica.

Aïllants i conductors

Els materials es comporten de forma diferent en el moment d'adquirir una càrrega elèctrica. Aixina, una vareta metàlica sostinguda en la mà i fregada en una pell no resulta carregada. No obstant, sí és possible carregar-la quan en fregar-la s'usa per a sostindre-la un mànec de vidre o de plàstic i el metal no es toca en les mans en fregar-ho. L'explicació és que les càrregues poden moure's lliurement entre el metal i el cos humà, lo que les aniria descarregant en quant es produïren, mentres que el vidre i el plàstic no permeten la circulació de càrregues perque aïllen eléctricamente la vareta metàlica del cos humà.

Açò es deu a que en certs materials, típicament en els metalés, els electrons més alluntats dels núcleus respectius adquirixen fàcilment llibertat de moviment en l'interior del sòlit. Estos electrons lliures són les partícules que transportaran la càrrega elèctrica. En depositar electrons en ells, es distribuïxen per tot el cos, i viceversa, en perdre electrons, els electrons lliures es redistribuïxen per tot el cos per a compensar la pèrdua de càrrega. Estes substàncies es denominen conductors.

En contrapartida dels conductors elèctrics, existixen materials en els que els electrons estan fermament units als seus respectius àtoms. En conseqüència, estes substàncies no posseïxen electrons lliures i no serà possible el desplaçament de càrrega a través d'ells. En depositar una càrrega elèctrica en ells, la electrización es manté localment. Estes substàncies són denominades aïllants o dielèctrics. El vidre i els plàstics són eixemples típics.

La distinció entre conductors i aïllants no és absoluta: la resistència dels aïllants no és infinita (pero sí molt gran), i les càrregues elèctriques lliures, pràcticament absents dels bons aïllants, poden crear-se fàcilment suministrant la cantitat adequada d'energia per a separar a un electró de l'àtom al que estiga lligat (per eixemple, per mig d'irradiació o calfament). Aixina, a una temperatura de 3000 K, tots els materials que no es descomponen per la temperatura, són conductors.

Entre els bons conductors i els dielèctrics existixen múltiples situacions intermiges. Entre elles destaquen els materials semiconductorés per la seua importància en la fabricació de dispositius electrònics que són la base de l'actual revolució tecnològica. En condicions ordinàries es comporten com a dielèctrics, pero les seues propietats conductores es modifiquen per mig de l'adició d'una minúscula cantitat de substàncies dopantes. En açò es conseguix que puga variar-se la conductivitat del material semiconductor com a resposta a l'aplicació d'un potencial elèctric variable en el seu electrodo de control.

Certs metals adquirixen una conductivitat infinita a temperatures molt baixes, és dir, la resistència al fluix de càrregues es fa zero. Es tracta dels superconductores. Una volta que s'establix una corrent elèctrica de circuit tancat en un superconductor, els electrons fluïxen per temps indefinit.

Generadors electrostàtics

Els generadors d'electricitat estàtica són màquines que produïxen altíssimes tensions en una molt chicoteta intensitat de corrent. Hui s'utilisen casi exclusivament per a demostracions escolars de física. Eixemples de tals generadors són l'electróforo, la màquina de Wimshurst i el generador de Van de Graaff.

En fregar dos objectes no conductors es genera una gran cantitat d'electricitat estàtica. En realitat, este efecte no es deu a la fricció, puix dos superfícies no conductores poden carregar-se en solament recolzar una sobre l'atra. No obstant, en fregar dos objectes aumenta el contacte entre les dos superfícies, lo que aumentarà la cantitat d'electricitat generada. Habitualment els aïllants són bons per a generar i per a conservar càrregues superficials. Alguns eixemples d'estes substàncies són el caucho, els plàstics i el vidre. Els objectes conductors rarament generen desequilibris de càrregues, llevat, per eixemple, quan una superfície metàlica rep l'impacte d'un sòlit o un líquit no conductor, com en els transports de combustibles líquits. La càrrega que es transferix durant l'electrificació per contacte s'almagasena en la superfície de cada objecte, a fi d'estar lo més separada possible i aixina reduir la repulsió entre les càrregues.

Vore també

• Descàrrega electrostàtica (ESD)
• Electrodinàmica
• Magnetisme
• Camp electrostàtic
• Càrrega elèctrica
• Llei de Coulomb
• Electricitat
• Història de l'electricitat