Las Cuatro Fuerzas Fundamentales del Universo

El universo está formado por cuatro fuerzas fundamentales:

  1. La fuerza nuclear fuerte. Es la más fuerte, limitada al núcleo de los átomos.
  2. La fuerza electromagnética (eléctrica + magnética). Es 100 veces más débil que la nuclear. Es dominante en sistemas microscópicos como átomos y moléculas.
  3. La fuerza de interacción débil. Es millones de veces más débil que la nuclear. Es la interacción responsable de la desintegración de partículas radiactivas.
  4. La fuerza gravitacional. Es la más débil de todas. Es la dominante en sistemas macroscópicos como el sistema solar.

Interacciones Fundamentales: Gravedad y Electricidad

La Ley de la Gravedad de Newton

La Ley de la Gravedad de Newton establece que los objetos con masa experimentan entre sí una fuerza de atracción debido a la gravedad.

El Concepto de Campo

Dos objetos no necesitan estar en contacto para sentir la fuerza de atracción del otro, sino que es una acción a distancia. Este es el concepto de campo.

Un objeto de masa $m_1$ induce un campo gravitacional que no proviene físicamente del objeto, pero su influencia existe en todos los puntos del espacio. Si se acerca otro objeto $m_2$ a una distancia $R_{12}$ de $m_1$, sentirá una fuerza $F_{g21}$ actuando sobre él.

Ley de Coulomb: La Fuerza Eléctrica

La fuerza eléctrica es similar a la fuerza gravitacional, con la diferencia de que la fuente del campo gravitacional es la masa y la del campo eléctrico es la carga eléctrica.

La Carga Eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca en los protones y electrones. Se manifiesta mediante atracciones y repulsiones. La interacción entre partículas cargadas genera la fuerza eléctrica.

Por definición, los protones tienen carga positiva y los electrones negativa.

La Ley de Coulomb (Charles Coulomb, 1776) establece que una carga $+q_2$ a una distancia $R_{12}$ de una carga $+q_1$, experimenta, en el espacio libre, una fuerza $F_{e21}$.

Principio de Superposición

La fuerza neta sobre cualquier carga es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre ella.

El Campo Eléctrico ($E$)

En forma similar al campo gravitacional, se dice que existe un campo eléctrico $E$ en la región del espacio que rodea a un objeto cargado.

La existencia del campo $E$ es una propiedad de su fuente. Se puede decir que cada electrón “viene” con su propio campo $E$.

Cuando otro objeto cargado $+q_2$ ingresa al campo eléctrico $E$ de $+q_1$, una fuerza eléctrica $F_{e21}$ actúa sobre él.

Visualización del Campo Eléctrico de Cargas Puntuales

  • La dirección de la flecha indica la dirección del campo en cada punto en el espacio.
  • La longitud de la flecha es proporcional a la intensidad del campo en cada punto en el espacio.

Líneas de Campo

Las líneas de campo son una herramienta fundamental para visualizar el campo eléctrico:

  • Las líneas salen de las cargas positivas y entran a las negativas.
  • El número de líneas que salen o entran a una carga es proporcional a la cantidad de carga.
  • Las líneas de campo nunca se cruzan.

Campo Eléctrico de Par de Cargas Puntuales

  • La tangente a una línea de campo es la dirección del campo eléctrico en cada punto.
  • La densidad local de las líneas de campo es proporcional a la intensidad del campo eléctrico en cada punto.

Campo Eléctrico de Línea de Carga

El campo eléctrico producido por una línea que tiene una carga distribuida de manera uniforme se calcula de acuerdo con los siguientes principios.

Ejemplos de Líneas con Carga
  • Líneas de campo eléctrico para una distribución uniforme en una línea con carga negativa.
  • Líneas de campo eléctrico para una línea de transmisión de dos conductores. En una línea de transmisión, los conductores tienen cargas de polaridades opuestas.

Potencial Eléctrico Diferencial

En circuitos eléctricos se trabaja con voltajes y corrientes, y no se consideran los campos presentes en ellos. Sin embargo, en verdad, la existencia de un campo $E$ entre dos puntos origina la existencia de voltaje entre ellos; por ejemplo, entre los terminales de un resistor o un capacitor.

Clasificación de los Materiales Eléctricos

Tipos de Materiales según su Conductividad

Los materiales se clasifican en términos de su capacidad para conducir carga eléctrica: conductores, aislantes y semiconductores.

Materiales Conductores

En los metales, los electrones más alejados de los núcleos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta carga eléctrica. Estos son los materiales conductores, siendo los más usados en sistemas electrónicos el Cu, Al y Ag.

Solo la carga negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil, por lo que únicamente los electrones libres son los responsables del transporte de carga.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de superconductores.

Materiales Aislantes (Dieléctricos)

En contrapartida a los conductores, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estos materiales no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estos materiales son denominados aislantes o dieléctricos. El vidrio, el caucho o el plástico son ejemplos típicos.

Materiales Semiconductores

Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. El Ge y el Si son ejemplos típicos.

En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras pueden ser alteradas con cierta facilidad, mejorando su conductividad en forma prodigiosa, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, sometiéndolos a temperaturas elevadas o intensa iluminación.

Comparación de Conductividad

La diferencia de comportamiento de los materiales respecto del desplazamiento de las cargas depende de la naturaleza de los átomos que los componen.

La conductividad es la facilidad para conducir electrones.

  • Los conductores permiten que los electrones se transporten a través de ellos.
  • Los dieléctricos no permiten el paso.

Electrización de Conductores

Electrización es el efecto de ganar o perder cargas eléctricas que tiene un conductor eléctricamente neutro. Existen tres formas de electrizar:

  • Electrización por contacto: Se puede cargar un conductor con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga. Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres.
  • Electrización por frotación: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.
  • Electrización por inducción: La barra electrizada (inductora) atrae electrones libres de la conductora (inducida). Estos electrones dejan a sus átomos con carga positiva en el otro extremo de la barra. La carga neta de la barra sigue siendo neutra.

El Concepto de Tierra

Un átomo tiene unos cuantos electrones. Un mol tiene millones de átomos. El planeta Tierra tiene prácticamente infinitos átomos. Por tanto, el planeta puede considerarse como colector o fuente de electrones.

  • La Tierra como fuente de electrones: Cualquier carga positiva puede recuperar sus electrones faltantes.
  • La Tierra como colector de electrones: Cualquier carga negativa puede depositar su exceso de electrones.

Permitividad Dieléctrica y Polarización

Permitividad Dieléctrica

La permitividad es una constante física que describe cómo un campo eléctrico afecta y es afectado por un medio. La permitividad del vacío es $8,85 \times 10^{-12} \text{ F/m}$.

Físicamente, es la habilidad de un material de polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado y, de esa forma, cancelar parcialmente el campo dentro del material.

Si un dieléctrico se somete a un campo eléctrico externo, no presenta una migración en masa de electrones (no son capaces de moverse libremente). Sin embargo, el campo polariza los átomos o las moléculas en el material, desplazando el núcleo y la nube de electrones. Se puede representar como un dipolo eléctrico que genera un campo eléctrico pequeño contrario al campo externo (de $+q$ a $-q$), cancelándolo en forma parcial.

Polarización a Nivel Macroscópico

Al aplicar un campo $E_{ext}$, en el interior del dieléctrico, los dipolos individuales alinean su momento dipolar con el campo $E_{ext}$, pero en dirección contraria, produciéndose lo que se conoce como polarización del dipolo. Cuando se retira el campo $E_{ext}$, las moléculas vuelven a su estado original.