GUIA DE FISICA 4º medio Plan común Tema: Carga eléctrica Introducción Los griegos en la antigüedad realizaron las primeras observaciones de fenómenos eléctricos. Al frotar ámbar (resina de árbol petrificada) con un trozo de cuero, este era capaz de atraer pequeños trozos de materiales más livianos. En la actualidad se sabe que este comportamiento no es exclusivo del ámbar, sino que en general dos sustancias distintas al ser frotadas adquieren propiedades eléctricas. Cuando las sustancias se comportan de la forma descrita se dice que han quedado eléctricamente cargadas. En la vida cotidiana existen algunos experimentos sencillos que demuestran la existencia de fuerzas eléctricas. Por ejemplo, si frotamos una peineta de plástico por nuestro cabello, veremos que la peineta atrae pedacitos de papel. La fuerza de atracción suele ser lo suficientemente intensa para suspender el papel en la peineta. Se produce el mismo efecto al frotar otros materiales, como caucho y vidrio entre otros. Otro experimento consiste en frotar un globo inflado con lana (o con nuestro cabello). En un día seco, el globo se adhiere al muro de una habitación, incluso durante horas Carga eléctrica Los experimentos demuestran que existen dos tipos de cargas eléctricas: positiva y negativa, denominadas así por el científico Benjamín Franklin (1706-1790). Hoy se sabe que el origen de la carga es el átomo. Un átomo está constituido básicamente por protones, neutrones y electrones. Los protones poseen carga positiva y, junto a los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo. Los electrones poseen carga negativa y se mueven alrededor del núcleo. El átomo por naturaleza es eléctricamente neutro, es decir, tiene igual cantidad de electrones y protones, lo que vuelve al átomo eléctricamente neutro. - Si los átomos de un objeto ceden electrones tendrán un déficit de electrones, por lo que el objeto se carga positivamente Si los átomos de un objeto captan electrones tendrán un exceso de ellos, por lo objeto se carga negativamente Medición de la carga eléctrica Ya sabemos que cuando un cuerpo está cargado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por este motivo, el valor de la carga de un cuerpo, que se representa por la letra Q, se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. En el sistema MKS la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (símbolo C), en honor al físico francés Charles A. de Coulomb que hizo grandes aportes en electrostática. Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, ello significa que perdió o ganó 6,25 1018 electrones, es decir: 1 C corresponde a 6,25 1018 electrones en exceso, si la carga del cuerpo es negativa, o en déficit, si la carga del cuerpo fue positiva. Como el coulomb puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan subdivisiones del coulomb 1 mili coulomb= la milésima parte de 1 C por lo que: 1 mC 103 C 1 C 1.000 mC 1 microcoulomb = la millonésima parte de 1 C, por lo que: 1 C 106 C 1C 1.000.000 µC Un coulomb equivale a 6,25 1018 electrones, en consecuencia, la carga del electrón es de 1,6 1019 C. La menor cantidad de carga encontrada en la naturaleza es la del electrón. Esta cantidad de carga se denomina “carga elemental” y se representa por la letra e. El valor de e= C Tabla resumen: Partícula Electrón Protón Neutrón Carga (C) Masa (Kg) 0 PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA a) Existen dos tipos de carga eléctrica: positivas y negativas. Las cargas eléctricas de mismo signo se repelen, y las cargas de signo contrario se atraen b) La carga eléctrica se conserva: Al cargar eléctricamente un cuerpo, las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, tan solo se intercambian entre los cuerpos. En otras palabras la carga total o neta se conserva c) La carga está cuantizada: La carga que un cuerpo adquiere al electrizarse no aparece en cualquier cantidad, sino que en múltiplos enteros de la carga fundamental. Entonces la carga eléctrica Q de un cuerpo cargado puede ser escrita de la siguiente forma Q= ne Donde n es un numero entero y “e” es la carga fundamental (carga de un electron) CONDUCTORES Y AISLANTES Los cuerpos están constituidos por átomos, y estos poseen partículas con carga eléctrica, protones y neutrones. Cuando varios átomos se reúnen para formar ciertos sólidos, por ejemplo, los metales, los electrones de las orbitas más lejanas no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres. Por lo tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y así, decimos que estas sustancias son conductores eléctricos. Entre los mejores conductores debemos destacar a los metales. Los más destacados son: la plata, el oro y el cobre, este último es el de mayor uso práctico por ser más económico (dúctil y maleable). Al contrario de los conductores eléctricos existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, es decir, estas sustancias no poseen electrones libres o el número de electrones libres es relativamente pequeño. Por lo tanto, no será posible el desplazamiento de carga eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan aislantes eléctricos o dieléctricos. Los aisladores más conocidos son: la ebonita (pasta dura de corcho), el azufre, el vidrio, la parafina, la seda, la cerámica, la madera, el aire, etc. Una tercera clase de materiales son los semiconductores: aislantes y conductores según las condiciones. El silicio y el germanio son semiconductores muy conocidos que se utilizan extensamente en la fabricación de dispositivos electrónicos. Observaciones: 1) Considera un cuerpo metálico, cargado negativamente, apoyado en un soporte aislante. Supongamos que tal cuerpo es conectado a tierra por medio de un conductor, por ejemplo un alambre de cobre. En estas condiciones, los electrones que están en exceso en el cuerpo metálico, escaparan hacia tierra a través del conductor, haciendo que dicho cuerpo pierda su carga negativa pasando al estado neutro. En la figura se muestra lo que ocurre si el cuerpo cargado estuviera cargado positivamente: los electrones libres de la tierra pasarían a través del conductor hasta que la carga positiva del cuerpo metálico quedara neutralizada. Por lo tanto, vemos que en ambos casos el cuerpo metálico cargado, al conectarse a tierra mediante el conductor, pierde su carga y se vuelve neutro. 2) En la misma figura anterior, si el soporte aislante que sostiene el cuerpo metálico fuera de vidrio, este cuerpo podría descargarse aunque no estuviese conectado a tierra mediante un cable conductor. Generalmente, esto se debe a que sobre la superficie del vidrio se forma una capa de vapor de agua. Dicha capa, al ser conductora, establece el contacto eléctrico del cuerpo metálico con tierra, y por ello, se descarga. En general, en los climas húmedos, los cuerpos metálicos electrizados, aun cuando estén apoyados sobre aislantes, terminan por descargarse después de cierto tiempo. Aun cuando el aire atmosférico sea aislante, la presencia de humedad hace que se vuelva conductor, así un cuerpo cargado cederá su carga a la tierra a través del aire. MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN Como se dijo un cuerpo se electriza cuando presenta falta o exceso de electrones. Son tres las maneras por las cuales es posible electrizar un cuerpo eléctricamente neutro: - Por frotamiento Por contacto Por inducción Electrización por frotamiento: Cuando dos cuerpos diferentes son frotados, puede ocurrir el paso de electrones de un cuerpo hacia otro. Considere una barra de plástico, siendo frotada por un pedazo de lana, ambos inicialmente neutros. La experiencia muestra que, después del frotamiento, los cuerpos pasan a manifestar propiedades eléctricas En el ejemplo anterior hubo transferencia de electrones de la lana hacia la barra. En la electrización por frotamiento, los dos cuerpos quedan cargados con cargas iguales, pero de signo contrario La siguiente tabla ordena diferentes sustancias las cuales al ser frotadas con la siguiente, la superior siempre adquiere carga positiva y la inferior carga de tipo negativa Electrización por contacto: Cuando colocamos dos cuerpos contacto, uno electrizado y el otro neutro, puede ocurrir el paso de electrones de uno hacia el otro, haciendo que el neutro se electrice Las cargas en exceso del conductor electrizado negativamente se repelen y algunos electrones pasan hacia el cuerpo neutro, haciendo que él quede también con electrones en exceso, y por lo tanto, electrizado negativamente. Si la esfera estuviera cargada positivamente, habría también un paso de electrones, pero esta vez, del cuerpo neutro al electrizado, pues este con falta de electrones los atrae del cuerpo neutro. Por lo tanto, la esfera neutra al ceder electrones queda cargada positivamente. En la electrizacion por contacto los cuerpos quedan electrizados con carga del mismo signo Electrizacion por induccion: La electrizacion de un conductor neutro puede ocurrir por simples aproximaciones de otro cuerpo electrizado, sin que haya contacto entre ellos. Consideremos un conductor inicialmente neutro y una barra electrizada negativamente. Cuando acercamos la barra electgrizada negativamente al conductor neutro, sus cargas negativas repelen los electrones libres del cuerpo neutro hacia posiciones distantes. De esta forma el cuerpo queda con deficit de electrones en un lado y con exceso de electrones en el otro extremo (polarizacion). El cuerpo electrizadomque provoco la polarizacion se denomina inductor y el que sufre la induccion se denomina inducido. Si queremos obtener en el inducido una electrizacion, solo basta unirlo a la “Tierra”, en precensia del inductor. En esta situacion los electrones libres que estan siendo repelidos por el inductor escapan hacia la tierra. Deshaciendo el contacto a tierra y luego alejando la barra (inductor), el inducido quedará con cargas positivas. En el proceso de induccion, el cuerpo inducido se electrizará siempre con cargas de signo contrario a las del inductor. La carga del inductor no se altera CUADRO RESUMEN DE MÉTODOS DE ELECTRIZACION MÉTODO Frotamiento Contacto Inducción ANTES Ambos neutros DESPUES cuerpos Los cuerpos quedan electrizados con cargas de signo opuesto Un cuerpo cargado y Ambos cuerpos otro neutro quedan cargados con cargas de signo opuesto Un cuerpo cargado y Ambos cuerpos otro neutro quedan cargados con cargas de signo opuesto DETECTORES DE CARGA ELÉCTRICA Son aparatos destinados a verificar la presencia de carga eléctrica en los cuerpos. Existen dos tipos básicos: a. El péndulo eléctrico: está constituido por una pequeña esfera liviana suspendida de un hilo que cuelga de un soporte aislado rígido. Suponga que quisiéramos averiguar si un cuerpo A está o no electrizado. Bastará con aproximarlo al péndulo, respecto de lo cual solo pueden suceder dos comportamientos: 1º la esfera del péndulo permanece en reposo. Esto significa que el cuerpo A estaba descargado (neutro) 2º La esfera del péndulo es atraída por el cuerpo A. Esto se interpreta como que el cuerpo A esta cargado. El cuerpo seria el inductor y la esfera el inducido. De allí la atracción. Obsérvese que la atracción de la esfera del péndulo ocurre independientemente del signo de la carga eléctrica del cuerpo A. Por esta razón es imposible determinar el signo. Ejemplo: Una varilla de vidrio cargada positivamente atrae a un objeto suspendido. ¿Podemos concluir que el objeto está cargado negativamente? Consideremos en primer lugar, que el objeto suspendido tiene dimensiones pequeñas. En este caso, si el objeto estuviera cargado negativamente, sería atraído realmente por la varilla positiva (figura a). Pero, aunque el objeto suspendido fuera neutro, podrá experimentar inducción (o polarización si fuera dieléctrico) y entonces ser atraído (figura b). Supongamos ahora, que el objeto estuviese cargado también positivamente, como la varilla. ¿Sería posible que existiera una atracción entre él y la varilla? Si el objeto fuera conductor y tuviera dimensiones no muy pequeñas, cuando se aproximara la varilla, podría existir una fuerte inducción, de tal modo que, el extremo próximo a la varilla se volvería negativo y entonces, sería atraído (figura). b. Electroscopio de hojas: Este aparato consta esencialmente de una varilla conductora que tiene en su extremo superior una esfera metálica, y en su extremo inferior, dos tiras metálicas muy finas, sujetas de modo que se puedan acercar o separar fácilmente. Este conjunto suele estar dentro de un frasco de vidrio o dentro de un cilindro metálico. En cualquiera de los casos la función del electroscopio es “ver” la carga de los cuerpos. Para distinguir un cuerpo neutro de uno cargado basta con aproximarlo a un electroscopio. Si sus laminas se separan significa que el cuerpo A está cargado; por otra parte, si sus laminas permanecen juntas significa que el cuerpo A esta neutro. Al acercar a la esfera o bola del electroscopio un cuerpo cargado positivamente, se producirá una inducción electrostática en la parte metálica del aparato, es decir los electrones libres serán atraídos a la esfera, haciendo aparecer en las láminas un exceso de cargas positivas. Estas hojas al hallarse electrizadas con cargas del mismo signo, se separan o abren debido a la fuerza de repulsión que se produce entre ellas. Por lo tanto, la apertura de las láminas del electroscopio cuando acercamos a la bola un cuerpo, nos indicará que está cargado. Al alejar el cuerpo, los electrones de la esfera serán atraídos hacia las hojas, neutralizando la carga positiva y haciendo que las hojas se cierren Si el cuerpo estuviera electrizado negativamente, observaríamos, de la misma manera una inducción electrostática en el electroscopio, y por consiguiente las hojas también se abrirán indicando así que el cuerpo está cargado. .