Cargas Eléctricas y Cuerpos Electrizados

MARCO TEORICOLa electrostática es una parte del electromagnetismo que estudia los fenómenos relacionados con las cargas eléctricas estáticas.La palabra eléctrico procede del griego electrón, que significa ámbar, y la palabra magnético procede de Magnesia país donde se halló la magnetita.

1. BASES HISTORICASEl filósofo griego Tales de Mileto (640-546 A.C) observo que cuando se frotaba el ámbar, atraía objetos pequeños, tales como plumas o pajitas.

E n el siglo XVI, el físico inglés William Gilbert (1540-1603) estudio sistemáticamente los efectos eléctricos y magnéticos, demostró que muchas sustancias diferentes del ámbar adquieren una propiedad atractiva cuando se frotan ,introdujo los términos de ´´FUERZA ELECTRICA´´ y ´´POLO MAGNETICO´´ También, sostuvo que la tierra es un gran imán con polos en el Norte y Sur.

En 1672 Otto von Guericke creo la primera máquina capaz de producir una descarga eléctrica.

El 1720 el inglés Stefhen Gray descubrió la conducción eléctrica, es decir, la atracción y la repulsión eléctrica puede transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante determinadas sustancias.

En 1745, Pieter van Misschenbroek y Ewald Georg von Kleist desarrollaron la Botella de Leyden, uno de los primeros condensadores eléctricos.

En 1747, el científico norteamericano Benjamin Franklin, propuso un modelo en el cual por primera vez se postula el principio de conservación de la carga .Todo cuerpo tiene una cantidad de electricidad ´´normal´´ .Introdujo el concepto de carga positiva (+) y negativa (-).

Joseph Priestley( 1733-1804), realizando varios experimentos demostró que no existe ninguna electricidad en la superficie interior de una vasija metálica hueca a partir de este resultado dedujo que la fuerza entre dos cargas varis proporcionalmente al inverso del cuadrado de la distancia entre ellas.Los resultados de Priestley fueron confirmados experimentalmente, por Charles Coulomb (1736-1806), mediante la utiliza con de una balanza de torsión, creación suya.

En la recta final del siglo, Alessandro volta desarrolla la primera pila de corriente continua, la pila de Volta.

En 1821 Michael Faraday descubrió la inducción electromagnética y el concepto de líneas de campo lo que le permitió crear el primer motor eléctrico; hechos por los cuales es considerado el fundador del electromagnetismo .También logro demostrar que la carga eléctrica en un conductor se acumula en la superficie exterior de este , independientemente de lo que haya en su interior.

En 1827 Ohm formulo la ley que recibe su nombre que recibe su nombre ,en la que relaciona tensión ,corriente y resistencia.

En 1864 James Clerk Maxwell establece las llamadas ´´Ecuaciones DE MAXWELL´´ que demostraron y detallaron la relación matemática entre campos eléctricos y magnéticos ,

En 1879 Joseph Jhon Thompson descubre el electrón al observar que los rayos catódicos están formados por partículas de carga negativa, lo que dio inicio a la generación y explotación eléctrica.

2. BASES TEORICAS

2.1 Materia Y Carga EléctricaCualquiera que sea su forma, la materia está constituida por las mismas entidades básicas, los átomos. Estos a su vez están formados por partículas elementales portadoras de carga eléctrica, estas son:

a.- PROTONES: Se sitúan en el núcleo del átomo, en ellos reside la carga positiva.b.- ELECTRONES : Se sitúan en la corteza del átomo, en ellos reside la carga negativa. El electrón es un tipo de partícula sub atómica llamado ´´leptón´´ que se cree que es una de las partículas fundamentales.Un electrón suele representarse como, un punto, es decir sin extensión espacial.Se estima que el número aproximado de electrones existentes en el universo es de al menos 1080.Este número asciende a una densidad media de alrededor de un electrón por metro cubico de espacio.

2.2 Carga EléctricaEs una propiedad fundamental de la materia, del mismo modo que la masa. Es una magnitud física escalar, que caracteriza el estado el estado de electrización de un cuerpo.Se llama electrización a las transferencias de cargas de un cuerpo a otro, en general las cargas se transfieren con electrones.Se dice que un cuerpo está cargado positivamente cuando ha perdido electrones, y en caso que gane electrones se dice que está cargado negativamente, así, podemos decir que un cuerpo puede poseer dos tipos de carga eléctrica, una positiva y otra negativa.

2.3 Características de la Carga Eléctricaa) Dualidad de la Carga : Todas las partículas cargadas pueden dividirse en positivas y negativas, de forma que las de un mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se atraen, esto último se conoce como Primera ley de la electrostática.

Las cargas eléctricas del mismo tipo interaccionan repeliéndose y las cargas de distinto tipo interaccionan atrayéndose. La magnitud de esta interacción viene dada por la ley de Coulomb.

b) Conservación de la carga: En cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas presente en cierto instante no varía.Por ello en todo proceso, físico o químico, la carga eléctrica no se crea ni se destruye, sólo se transfiere.Carga= carga neta= cantidad cargas positivas – cantidad de cargas negativas.

c) Cuantificación de la carga: La carga eléctrica siempre se presenta como un múltiplo entero de una carga fundamental e. Es decir:

q=± N ∙e

Dónde: ´´q´´ es la cantidad de carga, ´´N´´ el número de electrones y ´´e´´ la carga del electrón.

En el S.I la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo, cuando la corriente eléctrica es de un amperio (1 A), y se corresponde con la carga de 6,24 ×10e o cargas elementales.Por lo tanto e es aproximadamente 1,602 x10-19 C.

2.3 DISTRIBUCION DE LA CARGA ELECTRICALa distribución de la carga eléctrica en un cuerpo depende de sus dimensiones, tamaño, forma geométrica, etc. Así tenemos:

a) Distribución Lineal Este caso se presenta cuando el cuerpo es un filamento, alambre, cuerda, etc...Para medir cuantitativamente la distribución de la carga en dicho cuerpo, se utiliza el concepto de densidad lineal uniforme de carga, que se representa con la letra griega ´´λ´´, tenemos:

a.1) Densidad lineal uniforme de carga La carga eléctrica ´´q´´ se distribuye por igual en todo el filamento y esto se denota asi:

λ=ql

a.2) Densidad lineal no homogénea de cargaLa carga eléctrica ´´q´´ no se distribuye por igual, en todo, el filamento de longitud ´´l´´ .

En este caso la densidad de carga se define como:

λ=dqdl

Siendo, ´´dq´´ un diferencial de carga, contenido en un trocito de filamento de longitud ´´dl´´.

b) Distribución Superficial

En este caso se presenta cuando el cuerpo es un disco, plancha, etc. De espesor despreciable, y para medir cuantitativamente la distribución de la carga en dicho cuerpo, se utiliza el concepto de densidad superficial de carga, que se representa con ´´σ´´, tenemos:

b.1) Densidad superficial uniforme de carga La carga eléctrica ´´q´´ se distribuye por igual, en toda la superficie ´´S´´ del cuerpo, y la densidad de carga se define así:

σ=qS

b.2) Densidad superficial no uniforme de carga La carga eléctrica ´´q´´ no se distribuye por igual, en toda la superficie ´´S´´ del cuerpo, en este caso la densidad de carga se define en cada punto, así:

σ=dqdS

Siendo ´´dq´´ un diferencial de carga, contenido en un diferencial de área ´´dS´´.

c) Distribución Volumétrica En este caso se presenta cuando el cuerpo tiene dimensiones por ejemplo un cilindro, cubo, esfera, etc...Para medir cuantitativamente la distribución de la carga en dicho cuerpo, se utiliza el concepto de densidad volumétrica de carga que se representa con ´´ρ´´, tenemos:

c.1) Densidad volumétrica uniforme de carga La carga eléctrica ´´q´´ se distribuye por igual, en todo el volumen ´´V´´ del cuerpo, la densidad de carga se define así:

ρ= qV

c.2 Densidad volumétrica no uniforme de carga La carga eléctrica ´´q´´ no se distribuye por igual, en todo el volumen ´´V´´ del cuerpo, en este caso la densidad de carga se define como:

ρ= dqdV

Siendo ´´dq´´ el diferencial de carga, contenido en el diferencial de volumen ´´dv’’2.4 APARATOS ELECTROSTATICOS

a) El electroscopio El electroscopio es un instrumento que se utiliza para establecer si un cuerpo está electrizado y el signo de su carga.

El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.

Explicación de su funcionamiento• Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la carga de un objeto

cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas por inducción.• Si acercamos el bolígrafo cargado al electroscopio, como se indica en la figura,

la carga negativa será atraída hacia el extremo más cercano del bolígrafo, mientras que la carga positiva se acumulará en el otro extremo, es decir que se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio.

• La situación se muestra en la figura: los dos extremos libres del electroscopio quedaron cargados positivamente y como las cargas de un mismo signo se rechazan las hojas del electroscopio se separan.

• Si ahora alejamos el bolígrafo, las cargas positivas y negativas del electroscopio vuelven a redistribuirse, la fuerza de repulsión entre las hojas desaparece y se juntan nuevamente.

ELECTROFORO DE VOLTA

El electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.

El primer electróforo fue inventado en 1762 por el profesor Johannes Carl Wilcke. Luego el científico italiano Alessandro Volta perfeccionó y popularizó este dispositivo en 1775, lo que ha llevado a acreditarle erróneamente su invención. Alessandro Volta acuñó el término electróforo a partir del griego ήλεκτρον ('élektron'), y φέρω ('phero'), es decir, portador de electricidad.El objetivo del electróforo es cargar positivamente un disco de material cargado conductor.

Está formado por: un disco de material conductor, generalmente metálico, con un mango aislante para sostenerlo

(en el dibujo superior se ve el mango, en los esquemas debajo no está representado); una lámina de material aislante. En la versión original era una torta de resina; piel de gato (en la versión original), piel de conejo, o un simple tejido de lana bien seco, más

fácil de conseguir.

Explicación de su funcionamiento

El electróforo funciona de la siguiente manera:1. En primer lugar, se frota la superficie superior de la torta de resina o de la

lámina aislante con la piel de gato o conejo (del lado de los pelos), o con un tejido de lana, a fin de que la superficie quede cargada negativamente por fricción. Una vez que el aislante está cargado, se acerca el disco metálico sosteniéndolo por el mango aislante (figura 1), con lo que tanto el disco conductor, como la torta de resina o la lámina aislante, se polarizan, situándose las cargas negativas del conductor en la superficie superior como consecuencia de la repulsión ejercida por las cargas negativas que el material aislante tiene en su superficie.

2. Se apoya el disco conductor encima del aislante, en contacto. Como el aislante tiene exceso de carga negativa su potencial es negativo; como están próximos, el potencial del disco metálico neutro también es negativo.

3. Se conecta el disco conductor a tierra (si no se tiene algo que sirva de toma de tierra, basta con que se toque con un dedo); como la tierra está a potencial de 0 V y el disco metálico tiene un potencial negativo, el disco tiende a perder carga negativa. Se origina una corriente de carga negativa (circulación de electrones) desde el disco hasta la tierra, que cesa cuando el potencial del disco es 0 V. Esto sucede cuando el disco queda cargado positivamente de forma que su potencial positivo se anula con el negativo generado por el aislante, con lo que el potencial total es de 0 V. Dicho de otra manera, así se refiere a tierra el potencial de la cara superior del material aislante.

4. Se desconecta el disco metálico de la toma de tierra, el potencial eléctrico sigue siendo de 0 V.

5. Se separa el disco metálico del aislante, agarrándolo por el mango, ya que si se tocase el disco con la mano, en el momento en que se alejase el disco de la lámina aislante, el potencial del disco pasaría de 0 V a un potencial positivo, con lo que electrones del cuerpo pasarían al disco, descargándolo. Esta acción de alejar el disco del material aislante cargado es la que inducirá en el disco metálico una carga de algunos miles de voltios.

Ahora el disco metálico ha quedado cargado positivamente; si tiene una carga suficiente y se acerca un dedo al disco sin tocarlo, se verá que salta una chispa entre el dedo y el disco, que quedará así descargado.

La carga del disco metálico puede emplearse para distintos experimentos. Por ejemplo, si se pone el disco en contacto con un conductor aislado, se comprobará que la carga puede ser transportada a distancia. Como la carga estática que la base dieléctrica adquirió por frotamiento no se gasta durante el proceso de cargar el disco conductor, éste puede volver a cargarse muchas veces sin necesidad de frotarla nuevamente. Esto es así, porque la energía empleada para cargar el disco no

es suministrada por la carga de la base dieléctrica, sino por el trabajo mecánico de separar el disco de la base. Es por esta razón que Volta lo llamó elettroforo perpetuo. En realidad, se lo use o no, la carga de la base dieléctrica va perdiéndose lentamente a lo largo de las horas o días, sobre todo si hay alta humedad relativa ambiente, debido a la recombinación con las partículas de la atmósfera que posean carga de signo opuesto.

El científico alemán Georg Christoph Lichtenberg construyó en 1777 uno de los mayores electróforos que se han hecho. Tenía poco menos de dos metros de diámetro, y el disco metálico debía subirse y bajarse con un sistema de poleas. Se reportaron chispas de hasta 38 cm (casi 400 000 voltios). Lichtenberg empleó estas descargas para crear extraños dibujos ramificados, arborescentes, conocidos como Figuras de Lichtenberg.Algunos otros pocos materiales aislantes, como ciertos vidrios especiales, pueden producir tensiones de polaridad invertida.

PENDULO ELECTRICO

El péndulo es un sistema físico que puede oscilar bajo la acción gravitatoria u otra característica física (elasticidad, por ejemplo) y que está configurado por una masa suspendida de un punto o de un eje horizontal fijo mediante un hilo, una varilla, u otro dispositivo que sirve para medir el tiempo.El péndulo eléctrico es un sencillo dispositivo empleado con fines didácticos para poner de manifiesto ciertos fenómenos electrostáticos. Consiste usualmente en una pequeña esfera de TECNOPOR que pende de un hilo y generalmente se utiliza un par de ellos para mostrar cómo interactúan entre sí. La ligereza de la bola de saúco permite que ésta experimente un gran desplazamiento cuando sobre ella actúan fuerzas electrostáticas al acercársele un objeto cargado.

¿Cuáles son sus usos?Sus usos son muy variados: medida del tiempo (reloj de péndulo, metrónomo) medida de la intensidad de la gravedad, etc. Con este elemento tan simple, se pudo comprobar la traslación de la tierra ya que estas se mantienen siempre en el mismo lugar, demostrando el giro de la tierra.

MOLINETE ELECTROSTATICOEl molinete está constituido por un aspa de hoja de papel de aluminio muy delgado, que puede girar alrededor del eje de rotación, fijada en la base metálica que presenta una bolilla conductora.

LA JAULA DE FARADAY

Se conoce como jaula de Faraday el efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Explicación de su funcionamientoEl funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del

conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva).

Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday.Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como discos duros o repetidores de radio y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas.

GENERADOR ELECTROSTATICO: MAQUINA DE WIMSHURST;

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1800 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 – 1903). El

generador electrostático sirve para generar altas tensiones constantes, no son peligrosas al contacto.

Partes del Generador Electrostático:1) Disco de acrílico con placas de estaño .El generador electrostático consta de

dos discos de cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente y con escasa distancia entre sí.

2) Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje.3) Barra de electrodos, estas se encuentran conectadas con las barras de

electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas.

4) Botellas de Leyden 5) Interruptor de aislamiento 6) Conductor transversal con pinceles de metal .La cara externa de los discos está

ocupada circularmente por hojas de estaño.7) Estribo con escobillas. Para la toma de corriente se emplean dos escobillas

fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento .La distancia entre las escobillas y los discos es regulable, y debes ser de algunos milímetros.

8) Palanca de acoplamiento para conexión de las botellas de Leyden.

FUNCIONAMIENTOBajo los pinceles , las cargas positivas o negativas de las hojas de estaño del disco 2 ejercen una influencia sobre las del disco 1 .Y estas , por otra parte, influencian las cargas de las cargas de las hojas de estaño del disco 2 , cuando

estas pasan por pincel que se encuentra enfrente . Las cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para su descarga, a las barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras .La longitud de las chispas depende del diámetro del disco.

GENERADOR ELECTROSTATICO; MÁQUINA DE VAN DE GRAAFF:

El generador de Van de Graaff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electrodo de funcionamiento continuo.

Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas.

El primer generador electrostático fue construido por Robert Jemison Van de Graaff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales.

EXISTEN DOS MODELOS BASICOS DE GENERADOR:

a) El que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y que crea un gran voltaje)

b) El que se basa en el efecto de electrización por contacto .En este modelo el motor externo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor.

En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobe la correa y son transportadoras hasta la parte interior de la cúpula donde , por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga.

CONSTA DE

1.- Una esfera metálica hueca en la parte hueca.2.-Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje.3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.4.- Dos peines metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora)6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje también es el eje del cilindro inferior .En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano

Funcionamiento Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte 9interna de la esfera superior. El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del peine situadas a unos milímetros de la banda, ionizada el aire.Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma conductor –efecto Corona – y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo.

Parte Superior Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.Un generador de Van de Graaff no funciona en el vacío.La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa .El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera .El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa .

Por el efecto Faraday (que explica por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa .Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.