Electromagnetismo

CURSO DE FISICA GENERAL

Orientado hacia las Ciencias de la Vida y de la Tierra1

Parte 3. Electromagnetismo

Capítulo 1. Carga Eléctrica y Campo Eléctrico

1.1 Carga eléctrica

Antecedentes más importantes

• Alrededor del año 600 antes de nuestra era (a.n.e.) el filósofo griego Tales de Mileto (625- 546 a.n.e.)2 observó que las piedras de ámbar frotadas con lana de oveja eran capaces de atraer objetos ligeros como hilos u hojas secas. El ámbar es una resina fósil, denominada electrón en griego. De ahí el nombre moderno de electricidad para designar a éste y otros fenómenos relacionados.

• Año 1500: el médico y físico inglés William Gilbert (1544-1603) descubrió que otras muchas sustan-cias tenían la capacidad de atraer objetos ligeros cuando se frotaban, y aplicó el término electrización al fenómeno. Fue el primero en utilizar términos como 'energía eléctrica' ‘fuerza eléctrica’ y 'atracción eléctrica'.

• Año 1700: el también médico y físico alemán Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894) propuso explicar el fenómeno de electrización considerando la existencia de dos tipos de par-tículas elementales acarreando una “carga” positiva (+) o negativa (-), respectivamente. Las partí-culas pasarían de un cuerpo a otro durante la frotación.

• Año 1897: Sir Joseph John Thomson (1856-1940) descubre el electrón, partícula elemental de carga (-), y en 1919 Lord Ernest Rutherford of Nelson (1871-1937) descubre el protón, partícula elemental de carga (+). Ambos fueron galardonados con el premio Nóbel por sus investigaciones; el primero en 1906, el segundo en 1908.

Estado actual de conocimientos

El estado actual de conocimientos acerca de las cargas eléctricas puede resumirse en la forma siguiente. Una varilla de vidrio frotada con seda repele a otra tratada de la misma manera anteriormente: aparecen fuerzas de repulsión (ver figura). Sin embargo, si se susti-tuye una de las varillas por otra de caucho duro (ebonita), que ha sido frotada con piel de conejo, se encuentra que las varillas se atraen.

Por otra parte, dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen.

Se llega así rápidamente a la conclusión de que hay dos tipos de cargas, designadas arbitrariamente como positivas (+) y negativas (−). Las cargas de igual signo se repelen; las de signo contrario se atraen.

¿De qué forma ocurre la electrización? Según el modelo clásico del átomo, los electrones de carga ne-gativa rotan alrededor de un núcleo positivo. Al frotar la varilla ocurre la interacción entre los átomos que

1 Ajustado en tiempo y contenidos a los programas vigentes en el Dpto. Física Aplicada (servicio externo).

2 Fundador de la filosofía griega, es considerado como uno de los Siete Sabios de Grecia. Llegó a ser famoso por sus conocimientos de astronomía después de predecir el eclipse de sol que ocurrió el 28 de mayo del 585 a.n.e. Se dice también que introdujo la geometría en Grecia. Antes de Tales, las explicaciones del universo eran mitológicas, y su interés por la sustancia física básica del mundo marca el nacimiento del pensamiento científico. Tales no dejó escritos; el conocimiento que se tiene de él procede de lo que se cuenta en la Metafísica de Aristóteles.

Arnaldo González Arias, Dpto. Física Aplicada UH, arnaldo@fisica.uh.cu Cap 1, p. 1

están en la superficie de los cuerpos frotados. Los electrones de las capas atómicas más externas, dé-bilmente ligados al núcleo, pasan de un cuerpo a otro; en un caso, del vidrio a la seda; en el otro, de la piel de conejo a la ebonita. De esta manera el vidrio queda cargado positivamente, y la ebonita con car-ga negativa. La partícula de carga elemental negativa es el electrón, y la carga del electrón se designa usualmente por e-. La de carga positiva es el protón (carga e+), de masa 1836 veces mayor que la del electrón.

Los protones se encuentran en el núcleo atómico, y prácticamente no poseen movilidad. Son los electrones quienes tienen posibilidad de moverse de un cuerpo a otro durante la frotación. Cuando hay un exceso de electrones en el cuerpo, la carga es negativa. Cuando faltan electrones (por haber pasado a otro cuerpo), la carga es positi-va. La triboelectricidad o electrización por frotamiento se encuentra presente, en mayor o menor grado, en todos los cuerpos.

Cuantización de la carga

Es un hecho experimental ampliamente comprobado que la carga está cuantizada. Significa que hay una pequeña cantidad

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