7. Electricidad

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ELECTRIZACIÓN

El fenómeno de la electrización está con frecuencia presente en nuestra vida diaria. Fijémonos en una serie de hechos:

  • Hay días secos en los que los pelos nos cuesta más peinarlos.
  • Cuando nos sacamos un jersey por la noche en la habitación notamos un pequeño chasquido, incluso en la oscuridad vemos un destello.
  • A veces dos separadores de plástico nos cuesta separarlos, están como pegados.
  • Al tocar la puerta del coche notamos una pequeña descarga.
  • En las tormentas escuchamos con temor los truenos que vienen después de la caída de un rayo.

Estas son manifestaciones de fenómenos de electrización. Este fenómeno ya era conocido por los filósofos griegos. Estos frotaban un trozo de ámbar (resina fósil) con una piel y atraían pequeños objetos. En griego ámbar es elektron, de ahí viene el nombre de electrización para este fenómeno que consiste en adquirir carga eléctrica cuando un cuerpo es frotado. Electricidad, electrón, electrización tienen todas la misma raíz griega que proviene de la palabra ámbar. Podemos reproducir este experimento frotando una barra de plástico para atraer pequeños trozos de papel.

¿Qué es la carga eléctrica? Como ya vimos al estudiar los átomos estos tienen tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo. En este caso el átomo es neutro. Pero puede no serlo, recuerda también los iones que se formaban en el enlace iónico. Si se formaba un ion positivo era porque perdía electrones negativos de su corteza, quedaba con más protones que neutrones. Pero no se puede perder un electrón si otro átomo no lo gana, en este caso se forma un ion negativo, que tendrá más electrones en la corteza que protones en el núcleo. Por tanto en la electrización hacemos pasar electrones de unos cuerpos a otros. Unos cuerpos pierden electrones y otros los ganan, pero la carga total se debe de conservar, pues no aparecen ni desaparecen cargas. Esto se conoce como principio de conservación de la carga eléctrica.

Cuando frotamos un globo observamos el efecto de la electrización. Los globos adquieren cargas eléctricas iguales y se alejan mutuamente, se repelen.

CARGAS ELÉCTRICAS

Tenemos dos tipos de cargas las positivas y las negativas. Este nombre se lo debemos a Benjamin Franklin (1706-1790) científico norteamericano que inventó el pararrayos. 

Las cargas positivas están materializadas por los protones del núcleo de los átomos, y las negativas por los electrones de la corteza. En la materia no las apreciamos cuando están en igual número unas que otras, se dice que la materia es neutra. Pero si pasan electrones de unos cuerpos a otros observamos fenómenos asociados a estas cargas, un cuerpo que perdió electrones queda cargado positivamente y el cuerpo que gana electrones queda cargado negativamente.

Las cargas las vamos a medir en una unidad que se llama culombio (C). Recibe este nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) físico francés al que debemos la ley de atracción de cargas.

La carga del electrón tiene un valor de q(e) = 1,6·1019C

Si dividimos la carga de un culombio por la carga del electrón encontramos que un culombio es la carga que corresponde a 6,25·1018 electrones. Como la carga del culombio es muy grande se usan frecuentemente submúltiplos del mismo.

1μC = 106C      1nC = 109C      1pC = 1012C

PÉNDULO ELÉCTRICO

Para estudiar el fenómeno de la electrización podemos utilizar un péndulo eléctrico. Es muy fácil de construir, basta un trozo de poliestireno expandido (conocido como porexpán o corcho blanco) recubierto de papel aluminio y colgarlo de un hilo. Cuando frotamos un material de plástico y lo acercamos al péndulo eléctrico observamos un fenómeno de electrización, el plástico atrae al péndulo eléctrico. Observa el siguiente vídeo:

En el vídeo observamos lo siguiente:

  • Cuando acercamos la barra de plástico al péndulo no ocurre nada.
  • Después de frotar la barra de plástico con una piel y acercarla al péndulo éste es atraído hacia ella.
  • Cuando se tocan la bolita de péndulo y la barra se separan inmediatamente.
  • Después de haberse separado el péndulo y la barra se repelen, se rehuyen.
  • Cuando tocamos el péndulo y la barra con la mano ya no muestran el fenómeno de la electrización.

¿Qué está ocurriendo en cada uno de estos apartados?

Esta experiencia muestra los tres tipos de electrización que podemos observar en la materia.

1. Electrización por frotamiento.

Cuando frotamos un cuerpo con otro cuerpo pueden pasar cargas eléctricas (electrones) de un cuerpo al otro. Uno queda cargado positivamente (el que pierde electrones) y otro queda cargado negativamente (el que gana electrones). En este caso la barra de plástico arranca electrones de la piel y se carga negativamente y la piel pierde electrones y se carga positivamente.

2. Electrización por inducción.

Cuando acercamos un cuerpo con carga eléctrica a otro cuerpo en éste se produce una separación de cargas. Las cargas del mismo signo se alejan y las cargas de distinto signo se acercan al cuerpo electrizado. Estas últimas, que están más cerca del cuerpo electrizado, hacen que los dos cuerpos se atraigan.

3. Electrización por contacto.

En el caso anterior si se tocan los cuerpos las cargas de distinto signo que están próximas se anulan, y el resultado es que ambos cuerpos quedan cargados con la misma carga por transferencia de cargas de un cuerpo al otro.

¿Qué ocurre cuando electrizamos dos péndulos a la vez? La carga que adquieren es del mismo signo y se repelerán. Lo vemos en el siguiente vídeo:

ELECTROSCOPIO

Un electroscopio es un aparato que contiene dos láminas metálicas que se pueden separar. Si el electroscopio adquiere carga las dos láminas metálicas se cargan con el mismo signo y las láminas se separan. Cuanta más carga adquiera más se separan las láminas del electroscopio. Si tocamos el electroscopio con la mano descargamos el electroscopio y las láminas se juntan.

El electroscopio también lo podemos utilizar para averiguar si dos cuerpos se cargan con distinto tipo de carga. Fíjate en el siguiente vídeo. Acercamos al electroscopio dos cuerpos cargados diferentes: una barra de metacrilato (transparente) y una barra de poliestireno (blanca). Fíjate en el comportamiento del electroscopio cuando acercamos las barras.

Observamos que:

  • Cuando acercamos el metacrilato electrizado las láminas del electroscopio se separan. Sabemos que el metacrilato adquiere carga positiva. Por tanto las láminas de electroscopio se separan por estar cargadas ambas con carga positiva.
  • Cuando acercamos el poliestireno electrizado las láminas del electroscopio se juntan. Si el poliestireno se cargara positivamente como el metacrilato las láminas se separarían más y no lo hacen, se juntan. El poliestireno induce una carga diferente que anula los efectos de la carga positiva, es la carga negativa.
  • Lo mismo ocurre cuando actuamos al revés, electrizamos el electroscopio con el poliestireno y acercamos luego el metacrilato.

Tenemos por tanto dos tipos de cargas: positivas, en cuerpos que pierden electrones, y negativas, en cuerpos que ganan electrones. 

Podemos construir un electroscopio con un tarro de mermelada, un corcho un alambre y unos trozos de papel aluminio.

Otro aparato que nos permite almacenar carga eléctrica consiste en una lámina metálica que se sujeta por un mango aislante, es el electróforo de Volta. Observa el vídeo:

¿Sabrías decir por qué se carga?

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

LEY DE COULOMB

Ya vimos que hay cargas positivas y cargas negativas. Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signos contrarios se atraen. Pero ¿de qué depende la fuerza de atracción o repulsión que experimentan las cargas eléctricas? 

La respuesta se la debemos al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806)

Imaginemos dos cargas eléctricas de valor +Q1 y +Q2 separadas una distancia d.

Experimentan una fuerza de repulsión F.

Imaginemos ahora dos cargas eléctricas de valor −Q1 y −Q2 separadas una distancia d.

También experimentan una fuerza de repulsión F.

Por último, imaginemos ahora dos cargas eléctricas de valor +Q1 y −Q2 separadas una distancia d.

Ahora la fuerza es de atracción y valor F. Pero ¿cuánto vale dicha fuerza en todos los casos?

Esta es la expresión de la Ley de Coulomb, que dice que la intensidad de la fuerza de repulsión o de atracción entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Cuanto mayores sean las cargas mayor será la fuerza de interacción, y cuanto menor sea la distancia entre las mismas mayor será la fuerza de interacción.

En esta expresión hay una constante de proporcionalidad K

Esta constante representa la fuerza con que se repelen dos cargas de 1coulombio separadas 1metro de distancia. Esta constante es válida para el aire y el vacío, en cualquier otro medio la constante es diferente. Su valor tan alto ya nos indica la gran intensidad de la fuerza eléctrica. Esta constante tiene unidades y nos indica qué unidades debemos usar para las cargas y para la distancia en la ley de Coulomb.

En la ley de Coulomb una fuerza positiva nos indica que las cargas tienen el mismo signo y por tanto la fuerza es de repulsión, una fuerza negativa indica que las cargas tienen distinto signo y la fuerza será de atracción.

SIMULACIÓN: LEY DE COULOMB, en educaplus.org

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

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