Electrotecnia con Ordenador I.- Carga y Campo eléctricos

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Capitulo 1. Carga y Campo eléctricos.

INTRODUCCIÓN

Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad estática, incluso algunas personas son más

susceptibles que otras a su influencia. Ciertos usuarios de automóviles sienten sus efectos al cerrar con la

llave (un objeto metálico puntiagudo) o al tocar la chapa del coche.

El término eléctrico, y todos sus derivados, tiene su origen en las experiencias realizadas por Tales de Mileto,

un filósofo griego que vivió en el siglo sexto antes de Cristo. Tales estudió el comportamiento de una resina

fósil, el ámbar -en griego elektron-, observando que cuando era frotada con un paño de lana adquiría la

propiedad de atraer hacia sí pequeños cuerpos ligeros; los fenómenos análogos a los producidos por Tales

con el ámbar o elektron se denominaron fenómenos eléctricos y más recientemente fenómenos

electrostáticos.

La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa

de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los

fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo.

Creamos electricidad estática, cuando frotamos una un bolígrafo con nuestra ropa. A continuación,

comprobamos que el bolígrafo atrae pequeños trozos de papel. Lo mismo podemos decir cuando frotamos

vidrio con seda o ámbar con lana.

QUÉ ES LA ELECTRIZACIÓN

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha

sido electrizado.

La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática.

Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de

átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente,

la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número des cargas positivas y negativas.

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder

algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie

Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho

material es más negativo en la serie triboeléctrica.

Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente:

Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester,

poliuretano, vinilo (PVC), teflón.

El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas por que ambos materiales ocupan

posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos

materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro

material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie

triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el

estado de las superficies, si son lisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La

humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las

cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

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En la escuela hemos frotado el bolígrafo con nuestra ropa y hemos visto como atrae a trocitos de papeles.

En las experiencias de aula, se frotan diversos materiales, vidrio con seda, cuero, etc... Se emplean bolitas

de saúco electrizadas para mostrar las dos clases de cargas y sus interacciones.

De estos experimentos se concluye que:

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos

no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.

2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere

un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra

en un sistema aislado la carga total o neta no cambia.

3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen.

4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

FORMAS DE ELECTRIZACIÓN

Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede

transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza

porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que

depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar

un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una

electrización a distancia o por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del

cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La

formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por

influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización

es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro.

Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo, como aprecio Tales de

Mileto en el siglo sexto antes de Cristo

Electrización por frotamiento

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones

externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda

cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del

vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de

electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el

otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación,

desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con

anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

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Electrización por contacto

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un

cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto

de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran

en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga

eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado

positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el

caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro

corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

Electrización por inducción

La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se

ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a

las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es

negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En

ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando

el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

Conductores, aisladores y semiconductores

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas

correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo,

ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece

cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de

modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los

segundos conductores.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior

depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos

muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el

caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza

todos sus electrones,

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