ELECTROSTATICA

ELECTROSTÁTICA

Hace unos 2500 años, un sabio griego llamado Tales de Mileto comprobó que el ámbar, una resina de color amarillo, frotado con un trozo de lana, es capaz de atraer cuerpos ligeros, como papelitos, plumas, etc. El ámbar, llamado «elektron» en griego, había adquirido al frotarlo algo que se llamó «electricidad». Muchos siglos más tarde, se comprobó que otras muchas sustancias se comportan como el ámbar, es decir, se electrizan al ser frotadas. La electricidad presente en estos cuerpos se llama electricidad estática. La parte de la física que estudia estos fenómenos se denomina electrostática.

NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD

El fenómeno citado anteriormente habrás podido observarlo en diferentes ocasiones. Un bolígrafo de plástico frotado en un jersey atrae trocitos de papel. Cuando te peinas con un peine de plástico, al pasarlo varias veces por el pelo, el peine y los cabellos se electrizan.

Para explicar estos fenómenos, hemos de saber que la materia está formada por partículas pequeñísimas llamadas átomos. La estructura del átomo nos explica la naturaleza de la electricidad.

Recordemos que un átomo consta de un núcleo, donde hay protones, con carga positiva, y neutrones, sin carga, y de una corteza con electrones, que tienen carga negativa y que giran alrededor del núcleo. En estado normal, el número de protones es igual al de electrones.

Al frotar dos cuerpos de materiales diferentes, se arrebatan electrones del uno al otro, por lo que uno queda con carga eléctrica positiva, porque ha perdido electrones, y el otro queda cargado negativamente, porque gana electrones.

Vamos a comprobar que hay dos tipos de electrización. Al frotar con un trozo de lana una barra de vidrio, ésta es capaz de ceder electrones a la lana y se carga positivamente. Si cambiamos la barra y utilizamos una de ebonita (una materia sólida de color negro obtenida del caucho), es la lana la que cede electrones, y la barra queda cargada negativamente.

De esta manera se clasifican los materiales: los que se comportan como el vidrio, decimos que quedan cargados positivamente, y los que se comportan como la ebonita, que quedan cargados negativamente.

Si utilizamos una barra metálica, no conseguiremos atraer trocitos de papel. Los metales también se electrizan, pero su estructura permite que los electrones circulen fácilmente a través del metal y no quedan localizados en una zona concreta.

Las sustancias que se comportan como los metales se llaman conductores. El cuerpo humano o la tierra son conductores. Las sustancias como el vidrio, la ebonita o los plásticos se llaman aislantes o dieléctricos.

Si colgamos de un hilo una barra de ebonita, cargada, por su punto medio, y hacemos lo mismo con una barra de vidrio, al acercarlas veremos que se atraen. En cambio, si las dos barras cargadas son del mismo material, por ejemplo, dos barras de ebonita, observaremos que se alejan.

De esta experiencia deducimos que las cargas de distinto signo se atraen, y las del mismo signo se repelen.

URA 62

ELECTROSCOPIO

El electroscopio, es un aparato que se utiliza para conocer el valor y el signo de los cuerpos cargados.

Consiste en dos láminas muy finas, de oro o aluminio, que pueden girar sobre un extremo, unidas a una varilla metálica que termina en una bola también metálica. La varilla y las láminas están encerradas en un recipiente de vidrio que las aísla del exterior.

Si acercamos un cuerpo cargado a la bola del electroscopio, las cargas pasan a través de la varilla a las láminas, que quedan cargadas con el mismo tipo de carga y, por tanto, se separan. La separación la mediremos con la escala graduada situada en la parte inferior. Cuanto mayor sea la separación, mayor será el valor de la carga.

Para conocer el signo de un cuerpo cargado, utilizaremos primero un cuerpo del que conozcamos el signo de la carga, por ejemplo, una varilla de vidrio, cuya carga es positiva. A continuación acercaremos el cuerpo de carga desconocida. Si las láminas se separan más, significa que el cuerpo tiene carga positiva, y por el contrario, si se juntan, significa que el cuerpo tiene cargas de signo contrario.

UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA

La unidad natural es la carga de un electrón, pero es una unidad demasiado pequeña para ser utilizada en la práctica. En el Sistema Internacional la unidad de carga es el culombio (C), en honor del ingeniero y científico francés Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), que realizó importantes investigaciones en el campo de la electrostática. La definición completa del culombio se desarrollará en el tema siguiente, por lo que ahora sólo señalaremos su equivalencia con la unidad natural. Un culombio equivale a la carga de 6,3 • 1018 electrones. Se utilizan también con frecuencia el miliculombio (mC), cuyo valor es 1 mC = 10–3C, y el microculombio (µC), que vale 1 µC = 10–6C.

LEY DE COULOMB

Con las experiencias anteriores, podemos llegar a la siguiente conclusión: si un cuerpo cargado es capaz de atraer o repeler a otros, es porque ejerce una fuerza sobre éstos. Esta fuerza la llamaremos fuerza eléctrica. Hay que señalar que esta fuerza actúa a distancia.

Coulomb fue el primer científico que midió las fuerzas de atracción o repulsión entre dos pequeñas esferas cargadas, mediante distintas experiencias. Primera experiencia: colocó cargas diferentes separadas siempre a la misma distancia; al aumentar las cargas, constató que las fuerzas aumentan de forma proporcional al producto de éstas. Segunda experiencia: con las mismas cargas, aumentó la distancia entre ellas; los valores de las fuerzas entonces disminuyen, y el valor obtenido es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Tercera experiencia: situó dos cargas a la misma distancia en distintos medios (vacío, aire, agua, aceite, etc), y pudo comprobar que el valor de la fuerza era diferente para cada medio.

Con estos resultados, Coulomb enunció la ley que lleva su nombre: la fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados es directa mente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y depende del medio en el que están situadas. Su expresión matemática es:

F=K (q_(1 ) . q_2)/d^2

(q1y q2= los valores de las cargas)

(d = distancia que las separa)

(K = constante que depende del medio)

El valor de la constante K en el vacío y en el aire, en unidades del Sistema Internacional, es:

9 • 109 N • m2/C2.

Esta ley es válida para cuerpos electrizados con unas dimensiones muy pequeñas en comparación con la distancia que los separa, y las cargas de estos cuerpos podemos considerarlas concentradas en un punto: las llamaremos cargas puntuales.

CORRIENTE ELÉCTRICA

Hace un poco más de un siglo, para alumbrar había que quemar algún combustible. Se utilizaban velas y también bujías, de aceite o de petróleo. El alumbrado eléctrico que utilizamos en nuestros hogares se debe al inventor estadounidense Thomas Alva Edison, que puso en funcionamiento la primera lámpara eléctrica en 1879. Esta es una de las aplicaciones importantes que tiene la electricidad.

La corriente eléctrica es una forma de transmitir la energía. Al encender una bombilla, estamos produciendo una transformación de energía eléctrica en calor. El calor se almacena en parte en el filamento de la bombilla, que se torna blanquecino; decimos entonces que se pone incandescente, y emite energía en forma de calor y luz.

CÓMO SE PRODUCE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

Los materiales conductores, como los metales, permiten el desplazamiento de los electrones en su interior. Hemos visto que en el electroscopio las cargas se desplazan a través de la barra hasta las láminas. Este movimiento dura poco tiempo, pues una vez que las cargas llegan a las láminas cesa el desplazamiento. Si conseguimos que el desplazamiento de electrones sea continuo, obtendremos una corriente eléctrica.

Se llama corriente eléctrica al movimiento de cargas eléctricas a través de un conductor.

Vamos a explicar cómo se produce el fenómeno de la corriente eléctrica comparándolo con el de la corriente de agua que se origina al unir, mediante una tubería, dos depósitos que están situados a distinto nivel. La corriente de agua sólo es posible cuando hay desnivel. Y además, si toda el agua del depósito de arriba pasa al de abajo, cesa la corriente.

Para lograr una corriente de forma continua, tendremos que colocar una bomba hidráulica que, aportando energía, eleve el agua y mantenga el desnivel.

El movimiento de las cargas se produce de la misma manera. En el electroscopio, el desplazamiento entre la barra y las láminas es posible porque existe un desnivel electrónico. Para que el desplazamiento sea continuo es necesario mantener ese desnivel electrónico, llamado tensión o diferencia de potencial.

El elemento encargado de mantener la diferencia de potencial se llama generador eléctrico.

Una pila, la batería de un coche, etc. son generadores de corriente eléctrica. Realizan la misma función que, en el ejemplo, la bomba hidráulica.

Llamaremos polo positivo de un generador al de mayor potencial, y polo negativo al de menor potencial.

Después de entenderlo

...