En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias estudiaremos algo de nuestra vida cotidiana, la ELECTRICIDAD.
Aparentemente, en los objetos, parece no haber electricidad, pero experiencias de electrización o fenómenos naturales como las tormentas ponen de manifiesto sus efectos.
El estudio de los fenómenos eléctricos demuestra que existen partículas responsables del comportamiento eléctrico. J. J. Thomson experimentó con tubos de descarga de gases y observó que se emiten rayos desde el polo negativo al positivo, los llamó rayos catódicos.
Por lo tanto, en el interior de todos los átomos existen una o más partículas con carga negativa llamadas electrones. La electrización de la materia se debe a la transferencia de electrones de un cuerpo a otro. Si un cuerpo gana electrones, se carga negativamente, si los pierde, se carga positivamente.
Magnitudes
Para medir la cantidad de electricidad de los cuerpos, necesitamos definir una magnitud que llamamos carga eléctrica, su unidad en el SI es el Coulomb y su símbolo es C.
Debido a que la electrización de la materia es un intercambio de electrones, es frecuente utilizar su carga como unidad elemental de carga. Así +1 Indica que un cuerpo ha perdido un electrón y -1 indica que ha ganado un electrón.
En el siglo XX R.A. Millikian determinó que la carga de 1 electrón son 1.63x10^19 C, por lo tanto 1C equivale a 6.25x10^18 electrones.
EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE:
Este experimento fue realizado por primera vez en 1909 por el Física estadounidense Robert Millikan y le permitió medir la carga del electrón.
El experimento consiste en introducir en un gas gotitas de aceite microscópicas. Estas gotitas caen por su peso lentamente con movimiento uniforme. Las gotitas, al salir del pulverizador, se cargan eléctricamente por lo que su movimiento de caída se altera. Si actúa un campo eléctrico vertical de modo que mantenga la gota en suspensión, se puede determinar el valor de la carga de la gota en equilibrio conociendo el valor de la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y el valor de la gravedad.
Millikan comprobó que los valores de las cargas eran siempre múltiplos de una carga elemental, la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es e=1.602x10^19C
Ley de Coulomb
En el siglo XVIII el Físico francés Charles Agustin Coulomb, estudió la interacción eléctrica entre las partículas cargadas.
"La fuerza con que se atraen o repelen dos cuerpos cargados, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa"
Donde F es la fuerza atractiva o repulsiva expresada en Newtons, q y q' son las cargas de ambos cuerpos expresados en C, d es la distancia entre ellos expresados en metros, y K es una constante de proporcionalidad que depende del medio en el que estén los cuerpos.
Se llama campo eléctrico a la región del espacio que ve alterada sus propiedades por la presencia de una carga eléctrica.
Si situamos una carga q en un punto del espacio, esta carga crea un campo eléctrico a su alrededor. Al introducir una nueva carga q', la ley de Coulomb nos dice que esta carga q' se verá sometida a una fuerza de atracción o de repulsión según el signo de las cargas.
"La intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza que actúa sobre la unidad de carga positiva colocada en el punto considerado"
Hagamos un problema juntos:
Calcular la intensidad del campo eléctrico de una carga de prueba de 3x10^-8C que recibe una fuerza de 7.21x10^-10N
Lo único que hay que hacer es reemplazar los valores en la fórmula:
Instrumentos de detección y medida
Los electroscopios son dispositivos que sirven para detectar y medir la carga eléctrica de un objeto.
Consisten en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas muy delgadas, generalmente de pan de oro. Esta barra se encuentra aislada del exterior por un recipiente de vidrio.
Si las laminas de de oro se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se junta, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Midiendo la distancia a la que se separan estos conductores se puede calcular la cantidad de carga del cuerpo.
Al tocar la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, se produce una transferencia de electrones. Por ejemplo, al acercar una varilla de vidrio, previamente cargada, (carga +), los electrones del electroscopio pasan a la varilla, quedando este con carga + y las láminas de oro separadas.
Tormentas eléctricas
El rayo es una de las descargas electrostáticas de mayor intensidad que se producen en la naturaleza.
Se forman cuando existen zonas con diferente carga eléctrica dentro de una nube, entre dos nubes, o con la superficie de la tierra, su naturaleza eléctrica fue demostrada por Benjamin Franklin.
Esta diferencia de carga se produce por el rozamiento de los cristales de hielo dentro de las nubes debido a las fuertes corrientes de aire ascendiente te su interior, los cristales más pequeños ascienden de su interior, y se cargan positivamente, los más pesados permanecen en la parte inferior y se cargan negativamente. Esta carga negativa puede producir por inducción una carga positiva sobre la superficie de la Tierra, a partir de esta situación ya se puede producir el rayo.
Jaula de Faraday
Michael Faraday comprobó que en el interior de una caja metálica cerrada y hueca no existen cargas ni fenómenos eléctricos.
Este efecto, se manifiesta en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los celulares en el interior de ascensores o edificios con estructura de acero, o al envolver en papel de aluminio un receptor de radio sintonizado y en funcionamiento.
El conocimiento de este fenómeno, permite la fabricación y protección de equipos electrónicos delicados, tales como teléfonos móviles, radios, computadoras, etc. Todos llevan parte de sus circuitos protegidos por jaulas de Faraday para evitar que entren o salgan de ellos ondas producidas por la electricidad.
About Ana Emilia de Orellana
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