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Capítulo
13
ELECTRICIDAD
TEORÍA ELECTRÓNICA
En esta sección se analizará las cualidades del electrón, para lo cual se
tomará como muestra una gota de agua, para así obtener una explicación simple y sencilla.
Supongamos que usted posee un súper microscopio capaz de aumentar las imágenes tanto como vuestra imaginación desee.
Una gota de agua (H2O).
La gota inicial se dividió en
partículas.
Una partícula se dividió a su vez en
partículas más pequeñas.
Esta división de partículas se puede seguir realizando,
sin embargo llegará un momento en que la gotita sea
tan pequeña que toda nueva división le hará perder Según la teoría cinético – molecular, una molécula de
las características de agua. A esta partecita se le deno- agua está conformada por tres átomos ( 2 de hidrógeno y 1 de oxigeno): H2O.
mina, Molécula.
Si analizamos uno de estos átomos, por ejemplo el de hidrógeno, se comprobará que éste es como un sistema solar
(un Sol con un planeta que gira a su alrededor). Al planeta se le conoce como el electrón y al Sol como núcleo.
Jorge Mendoza Dueñas
276
Dentro del núcleo se encuentra el protón (es) y los
neutrones.
Electrón : carga negativa
Protón : carga positiva
Neutrón : sin carga
2.-
statCoulomb (stC)
Equivalencia
+
+
= 0
1 C = 3×109 stC
OBSERVACIONES
1.-
Sistema Adicional
CUANTIFICACIÓN DEL ELECTRÓN Y PROTÓN
En el átomo el número total de electrones que giran alrededor del núcleo es
exactamente igual al número de cargas
positivas contenidas en el núcleo (estado
neutro del cuerpo).
Los números de protones, neutrones y
electrones dependen del átomo del cuerpo en referencia.
MASA
CARGA
Electrón
9,02×10−31 kg
−1,6×10−19 C
Protón
1,66×10−27 kg
+1,6×10−19 C
Como se verá el electrón y protón tienen la misma
carga pero de signo contrario; además:
ELECTRICIDAD
q = ne
Es el efecto que produce los electrones al trasladarse de un punto a otro.
La palabra electricidad proviene del término
elektron (en griego electrón) que significa ámbar.
Donde: q = carga del cuerpo
e = carga del electrón
n = número entero
CARGA ELÉCTRICA (q)
Ejemplo.- El siguiente cuerpo muestra la presencia de cuatro electrones y un protón; determinar el
número “n”.
Es una propiedad fundamental del cuerpo, la cual
mide el exceso o defecto de electrones.
La carga fundamental, es la carga del electrón.
Cuerpo
descargado
Cuerpo
cargado
negativamente
Cuerpo
cargado
positivamente
Unidades de carga eléctrica en el S.I.
Coulomb (C)
Solución:
El cuerpo muestra un exceso de electrones:
q = 3e
De donde se deduce que el número entero n es 3
Electricidad
277
INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICA
dos de sus órbitas e incorporarse al otro. El
material que capta a los electrones tendrá
carga negativa, mientras el material que pierde electrones adquirirá carga positiva.
Concepto de Electrostática
Es una parte de la electricidad que se encarga de
estudiar las cargas eléctricas en reposo.
Conductor (buen conductor de la electricidad)
Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas se
mueven sin encontrar mayor resistencia; ejemplo:
Los metales, el cuerpo humano, etc.
Aislador o dieléctrico (mal conductor de la
electricidad)
Algunos materiales que producen electricidad estática fácilmente son: el vidrio, el ámbar, la
bakelita, ceras, franela, seda, rayón, etc., así tenemos: si se frota
PVC con lanilla, la varilla gana
electrones y se carga negativamente, mientras que la lanilla
adquiere carga positiva.
Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas encuentran gran resistencia para poder moverse.
REPRESENTACIÓN:
ESTADOS ELÉCTRICOS DE UN CUERPO
Después de ser frotados, ambos
quedan cargados.
Un cuerpo en su estado natural tiene el mismo número de
electrones que protones en el
núcleo.
NOTA
La Tierra es considerada como un gran manantial de electrones, por tener una inmensa cantidad de electrones.
ç
Si un electrón recibe un exceso de energía, debido a un fenómeno externo, el
electrón puede escaparse del átomo, entonces se habrá electrizado el cuerpo.
El átomo tendrá mayor cantidad de protones que electrones, se habrá cargado entonces positivamente.
El caso contrario: el átomo puede recibir uno o más
electrones de otro átomo, se cargará entonces negativamente.
FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO
A)
Por frotamiento
Si se frotan dos materiales entre sí, los electrones de uno de ellos pueden ser expulsa-
B)
Por Inducción
Cuando un cuerpo cargado negativamente (inductor) se acerca a un cuerpo “conductor”, los
electrones libres del conductor serán repelidos
hacia el otro extremo, de manera que un lado
del conductor (inducido) queda cargado positivamente y el otro lado negativamente.
Jorge Mendoza Dueñas
278
C)
Por Polarización
¿Cómo funciona el electroscopio?
Cuando un cuerpo cargado positivamente
por ejemplo (inductor) se acerca a un extremo de un cuerpo “aislador”, se produce un
reordenamiento de las cargas en dicho aislador ya que se produce en él, un movimiento
pequeño (menor que el diámetro atómico)
por parte de los electrones.
El electroscopio funciona cumpliendo la cualidad
de fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos
cargados eléctricamente así como la conductividad
en los metales.
En el ejemplo se tomará una barra cargada positivamente, para hacer funcionar un electroscopio se
puede ejecutarlo por “contacto” o “inducción”.
A)
Por inducción.- Cuando la barra cargada positivamente se acerca a la bola de metal (sin tocarla), se producirá una inducción electrostática
en el electroscopio.
Los electrones serán atraídos por la barra trasladándose éstas a la bola de metal quedando
las cargas positivas en las hojas, rechazándose
entre si, por lo cual éstas se abrirán.
Al alejar la barra
del electroscopio,
los electrones
ubicados en la
bola se trasladarán a las hojas
quedando neutro dichas hojas,
motivo por el
cual éstas se cerrarán.
B)
Por contacto.- Cuando la barra cargada positivamente toca a la bola de metal, los electrones del electroscopio pasan a la barra
creando en él una deficiencia de electrones
quedando cargado positivamente; como
quiera que ahora las láminas tienen cargas
del mismo signo, se rechazarán y por lo tanto se abrirán.
Al alejar la barra
del electroscopio, éste quedará
cargado positivamente (signo
de la barra) y por
lo tanto las hojas
permanecerán
abiertas (debido
a la repulsión
electrostática).
CONSERVACIÓN DE LA CARGA
En la electrización de un cuerpo, las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, tan sólo sufren un
intercambio de éstas, en otras palabras la carga total se ha conservado.
ANTES
DESPUÉS
EL ELECTROSCOPIO
Es un instrumento que sirve para determinar la
presencia o ausencia de cargas eléctricas de un
cuerpo.
Para esto, el cuerpo cargado se acerca o se pone en
contacto a la esferita metálica, en esta situación las
hojas metálicas se abrirán.
Electricidad
279
¿Cómo determinar el signo de una carga
eléctrica empleando el electroscopio?
Para ello en primer lugar hay que tener un
electroscopio cargado cuyo signo se conoce. Supongamos que empleamos el electroscopio cargado positivamente.
a)
Si las hojas se alejan.- Las hojas se abren más
debido al incremento de la fuerza electrostática y ésta debido al aumento de cargas
positivas para lo cual los electrones del
electroscopio han debido escapar a la barra
producto de una atracción de cargas eléctricas (cargas de signo contrario) lo cual significa que la barra tendrá carga positiva.
Electroscopio cargado positivamente.
b)
Si las hojas se abren más, la barra o
cuerpo tendrá el mismo signo.
Si las hojas se acercan
Electroscopio cargado positivamente.
Al conectar el electroscopio a Tierra,
los electrones de ésta subirán y entrarán a dicho aparato neutralizando las
cargas positivas.
Electroscopio cargado negativamente.
Al conectar el electroscopio a Tierra,
los electrones del primero escaparán
hacia Tierra hasta que el electroscopio logre ser descargardo.
PODER DE LAS PUNTAS
Una superficie puntual tiene área muy pequeña y
si está cargada, la densidad de carga eléctrica se
hace máxima en dicha punta, tanto así que las cargas ahí acumuladas tienden a escaparse más o
menos con gran fuerza, generando él llamado “viento eléctrico” capaz de apagar una vela.
Una aplicación directa de este fenómeno es el
pararrayos.
Electroscopio cargado positivamente.
Si las hojas se cierran un tanto, la barra tendrá signo contrario (negativo).
¿Cómo descargar un electroscopio cargado
eléctricamente?
Para descargar un electroscopio cargado negativa
o positivamente, bastará conectarlo a Tierra; ya que
ésta tiene un gran manatial de electrones, de tal
manera que ganar o perder electrones no difiere la
carga total de la Tierra.
Jorge Mendoza Dueñas
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CARGA - CAMPO ELÉCTRICO
LEYES DE LA ELECTROSTÁTICA
1RA LEY (LEY CUALITATIVA)
“Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signos diferentes se atraen”.
R = F1, 2 + F1, 3 + F1, 4
Observar que la fuerza actúa a lo largo de la línea imaginaria que une las
cargas.
CAMPO ELÉCTRICO
2DA LEY (LEY CUANTITATIVA)
“La fuerza de atracción o repulsión qué existe entre
dos cuerpos cargados es directamente proporcional
a la carga de cada cuerpo e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
Se le llama también ley de Coulomb.
F=
Es aquella región de espacio que rodea a una carga eléctrica y que está conformada por la materia
en estado disperso.
Este campo funciona como un transmisor mediante el cual una carga interacciona con otra que está
a su alrededor.
KQ1Q2
d2
Carga de prueba(q)
Unidades
F
Q
d
K
S.I.
N
C
m
9 × 109
Sistema
adicional
dina
stC
cm
1
N − m2
C2
dina − cm2
bstCg
2
PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN
En el caso de la presencia de varias cargas, la fuerza
resultante es la suma vectorial de las fuerzas debido a cada una de las cargas.
Carga ficticia que sirve para verificar si un punto
está afectado del campo eléctrico generado por “Q”;
si “q” sufre repulsión o atracción, significa que dicho punto está afectado del campo.
Electricidad
281
INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO (E )
Es aquella magnitud vectorial que nos indica cual
es la fuerza que aplica el campo en un punto sobre
la unidad de carga.
Se le representa mediante un vector que tiene la misma dirección y sentido que la fuerza electrostática.
Representación del campo eléctrico
de una carga puntual positiva.
F
E =
q
E =
Representación del campo eléctrico
de una carga puntual negativa.
KQ
d2
Unidades de E en el S.I.
Newton
Coulomb
Otras Unidades:
dina
statCoulomb
OBSERVACIÓN
Si se presentan varias cargas y se desea calcular
el campo eléctrico en un punto “P”; se aplica el
principio de superposición.
LÍNEAS DE FUERZA
Son líneas imaginarias creadas por Miguel Faraday
y se utiliza para representar un campo eléctrico.
Sus características son:
−
−
−
−
−
A)
En una esfera conductora maciza o hueca en
“equilibrio electrostático”, el exceso de cargas eléctricas se distribuye sobre la superficie externa.
Las cargas eléctricas se repelen entre ellas y los electrones libres se
alejan entre si lo
más que puedan.
ç
Zona electrizada por frotamiento, inducción, etc.
Después de un lapso muy pequeño de tiempo
las cargas eléctricas regresan a su estado de
reposo pero ahora ubicadas en la superficie externa del cuerpo.
ç
−
Las líneas de fuerza comienzan en las cargas
positivas y terminan en las negativas.
El número de líneas que abandonan una carga puntual positiva o entran en una carga negativa es proporcional a la carga.
Las líneas se dibujan simétricamente saliendo o entrando a la carga puntual.
La densidad de líneas es proporcional al valor del campo.
Las líneas de fuerza nunca se cortan.
La tangente a la línea en cualquier punto es
paralela a la dirección del campo eléctrico en
ese punto.
CAMPO ELÉCTRICO EN UNA ESFERA
CONDUCTORA
Jorge Mendoza Dueñas
282
B)
En una esfera conductora maciza o hueca en “equilibrio”, el campo eléctrico en el interior de dicha
esfera es cero, como no hay campo eléctrico, tampoco habrá líneas de fuerza en el espacio interno,
estas empezarán a partir de la superficie externa y serán perpendicular a dicha superficie.
Si “E” fuese diferente
de cero en el interior
de la esfera, los electrones libres estarían
en movimiento, lo
cual contradice la
condición del estado
de reposo de las cargas eléctricas.
C)
Las líneas de fuerza son
perpendicular a la superficies del conductor. Si tuviera una componente,
las cargas se moverían
sobre ella, lo cual no puede ser pues el cuerpo se
encuentra en equilibrio
electrostático.
Para cualquier punto que se encuentre fuera de la esfera, la intensidad de campo eléctrico es igual al
de una carga eléctrica situada en el centro de la esfera.
En el punto “P”:
E=
KQ
d2
Benjamin Franklin
Nació en Boston, Estados Unidos, en 1706. En ese
tiempo (siglo XVIII) era escaso el conocimiento sobre
la electricidad.
Fue entonces que Franklin, un periodista y
autodidacta que había leído los escritos de los grandes
científicos entre ellos los de Isaac Newton, empezó a
interesarse por dicho tema recién a los 40 años de edad,
paradójicamente con la historia de otros científicos que
realizan la cumbre de sus investigaciones en plena juventud.
Con él apareció una nueva rama de la ciencia después de Newton: La electricidad.
Benjamín Franklin descubrió lo que hoy se conoce
con el nombre de “conservación de la carga”, inventó
el condensador plano paralelo, demostró que las nubes
están eléctricamente cargadas, demostró también que
el rayo es una descarga eléctrica, inventó el pararrayos. Todo en corto tiempo, ya que más tarde se dedicó a
la política.
Muchos afirman que Franklin no fue Científico puro, si no más bien inventor, sin embargo dichos
inventos y demostraciones surgieron producto de una investigación científica.
Falleció en 1 790 a los 85 años de edad.
Electricidad
Ciencia
y Tecnología
283
El peine atrae al cabello: atracción electr
ostática
electrostática
Al peinarnos, generamos frotamiento entre
el peine y el cabello,
hasta llegar cargar
electrostáticamente
dicho peine.
Al acercar el peine
cargado al cabello, se
producen fuerzas de
atracción electrostática, haciendo erizar los pelos de la
persona.
Esta experiencia se hace más evidente en la sierra que en la costa, ya que en este último, la humedad neutraliza las cargas del peine.
Generador de Van de Graaff
Este aparato es una máquina electrostática que sirve para producir cargas eléctricas extraordinarias en la superficie externa de una esfera conductora hueca.
Para ello se hace uso de la propiedad de la distribución de cargas eléctricas en la superficie
externa de una esfera conductora.
284
Jorge
Ciencia
Mendoza
y Tecnología
Dueñas
Copiadora Xer
ox
Xero
El principio está basado
en el uso de una placa o
tambor recubierta con un
material semiconductor y
fotoconductor, es decir
cuando dicha placa
recubierta es cargada electrostáticamente,
en la oscuridad dichas cargas permanecen
estáticas, ya que la placa se comporta como
un perfecto aislante.
Cuando la luz ingresa e incide en la placa recubierta, ésta se convierte en material conductora e inmediatamente empezarán a fluir las cargas hasta descargarse la zona en contacto con
la luz.
Al colocar la “original”
(papel con texto o dibujo, el cual se quiere copiar) frente a la
placa recubierta, la
luz pasa por la original y luego llega a dicha placa; la zona
donde incide la luz
se hará conductora
y por tanto se descargará, mientras
que la zona donde
no llega la luz seguirá cargada.
Luego
de esto,
la placa
es bañado por
un polvo
negro
(toner) el
cual se
sentirá
atraído por las cargas positivas y quedaran atrapados por ésta, formándose así la figura o texto deseado.
Finalmente se coloca sobre la placa
un papel el cual se
cargará positivamente por el lado
posterior; mediante
un proceso de inducción electrostática, el otro lado
del papel atraerá al
toner de la placa y la figura o texto se trasladará a dicho papel; la imagen se fija al papel por
acción del calor.