La electricidad (página 2)

Explique electrización por
frotamiento

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros
(número de electrones = número de
protones), ambos se cargan, uno con carga
positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra
de vidrio con un paño de
seda, hay un traspaso de electrones del
vidrio a la seda.
Si se frota un lápiz de pasta
con un paño de lana, hay un
traspaso de electrones del paño. Ej. : un globo lo
frotas en la cabeza de un amigo compañero o tu mismo
cabello o cabeza y luego lo pones cerca de la cabeza de otro
compañero o amigo y veras que el cabello se
levanta.

¿Qué es el
electroscopio?

El electroscopio es un instrumento que permite
determinar la presencia de cargas eléctricas y su
signo.

El electroscopio sencillo consiste en una varilla
metálica vertical que tiene una bolita en la parte
superior y en el extremo opuesto dos láminas de
oro muy delgadas. La varilla está
sostenida en la parte superior de una caja de
vidrio transparente con un armazón
de metal en contacto con tierra. Al
acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se
electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el
objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la
cantidad de carga que han recibido. La fuerza de
repulsión electrostática se equilibra con el peso de
las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las
láminas, al perder la
polarización, vuelven a su
posición normal.

Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido,
puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto
aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan
significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de
carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el
objeto y el electroscopio tienen signos
opuestos.

Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga
debido a la conductividad
eléctrica del aire producida
por su contenido en iones. Por ello la
velocidad con
la que se carga un electroscopio en presencia de un
campo eléctrico o se descarga puede ser
utilizada para medir la densidad de iones
en el aire ambiente. Por
este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la
radiación
de fondo en presencia de materiales
radiactivos.

El primer electroscopio fue creado por el médico
inglés William Gilbert
para realizar sus experimentos con
cargas electrostáticas.
Actualmente este instrumento no es más que una curiosidad
de museo, dando paso a mejores instrumentos electrónicos.
Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la
presencia de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de
separación de cargas por inducción. Explicaremos su funcionamiento
empezando por ver que sucede con las cargas en los materiales
conductores.

Si acercamos un cuerpo cargado con carga positiva, por
ejemplo una lapicera que ha sido frotada con un paño, las
cargas negativas del conductor experimentan una fuerza atractiva
hacia la lapicera. Por esta razón se acumulan en la parte
mas cercana a ésta. Por el contrario las cargas positivas
del conductor experimentan una fuerza de repulsión y por
esto se acumulan en la parte más lejana a la
lapicera.

Lo que a ocurrido es que las cargas se han desplazado
pero la suma de cargas positivas es igual a la suma de cargas
negativos. Por lo tanto la carga neta del conductor sigue siendo
nula.

Exprese cada una de las propiedades
de las cargas eléctricas

Principio de conservación de la
carga

En concordancia con los resultados experimentales, el
principio de conservación de la carga establece que
no hay destrucción ni creación neta de carga
eléctrica, y afirma que en todo proceso
electromagnético la carga total de
un sistema aislado se
conserva.

En un proceso de
electrización, el número total
de protones y electrones no se altera y sólo hay una
separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no
hay destrucción ni creación de carga
eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden
aparecer cargas eléctricas donde antes no había,
pero siempre lo harán de modo que la carga total del
sistema
permanezca constante. Además esta conservación es
local, ocurre en cualquier región del espacio por
pequeña que sea.[3]

Al igual que las otras leyes de
conservación, la conservación de la
carga eléctrica está asociada a una simetría
del lagrangiano, llamada en física
cuántica invariancia gauge.
Así por el teorema de Noether a
cada simetría del lagrangiano asociada a un grupo
uniparamétrico de transformaciones que dejan el
lagrangiano invariante le corresponde una magnitud
conservada.[7] La
conservación de la carga implica, al igual que la
conservación de la masa, que en cada punto del espacio se
satisface una ecuación de continuidad
que relaciona la derivada de la densidad de carga
eléctrica con la divergencia del vector densidad de
corriente eléctrica, dicha ecuación expresa que
el cambio neto en
la densidad de carga ρ dentro de un
volumen
prefijado V es igual a la integral de la densidad de
corriente
eléctrica J sobre la superficie S que
encierra el volumen, que a su vez es igual a la
intensidad de corriente eléctrica
I:

Cuantización de la carga

Gracias a los trabajos de Millikan
al medir la carga eléctrica del electrón, se
demostró que la carga eléctrica no es continua, o
sea, no es posible que tome valores
arbitrarios, sino que los valores
que puede adquirir son múltiplos enteros de una
cierta carga eléctrica
mínima.[8]
Esta propiedad se
conoce como cuantización de la carga y el valor
fundamental corresponde al valor de carga eléctrica que
posee el electrón y al cual se
lo representa como e. Cualquier carga q que exista
físicamente, puede escribirse como siendo N un número entero,
positivo o negativo.

Por convención se representa a la carga del
electrón como -e, para el protón +e y
para el neutrón, 0. La física de
partículas postula que la carga de los
quarks, partículas que componen a
protones y neutrones, toman valores fraccionarios de esta
carga elemental. Sin embargo, nunca se han
observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el
caso del protón suma +e y en el neutrón suma
0.[9]

Aunque no tenemos una explicación suficientemente
completa de porqué la carga es una magnitud cuantizada,
que sólo puede aparecer en múltiplos de la carga
elemental, se han propuestos diversas ideas:

• Paul Dirac mostró que si existe
  un monopolo magnético la carga
  eléctrica debe estar cuantizada.
• En el contexto de la teoría de
  Kaluza-Klein, Oskar Klein
  encontró que si se interpretaba el campo
  electromagnético como un efecto secundario de la
  curvatura de un espacio tiempo de
  topología , entonces la compacidad de comportaría que el momento lineal
  según la quinta dimensión estaría
  cuantizado y de ahí se seguía la
  cuantización de la carga.

La existencia de cargas fraccionarias en el modelo
de quarks, complica el panorama, ya que
el modelo estándar no aclara porqué las cargas
fraccionarias no pueden ser libres. Y sólo pueden ser
libres cargas que son múltiplos enteros de la carga
elemental.

Invariante relativista

Otra propiedad de la carga eléctrica es que es
un invariante relativista.
Eso quiere decir que todos los
observadores, sin importar su estado
de movimiento y su
velocidad, podrán siempre medir la
misma cantidad de carga.[4]
Así, a diferencia de la masa
o el tiempo, cuando un cuerpo o
partícula se mueve a velocidades comparables con la
velocidad de la luz, el valor de su carga no
variará. El valor de la carga no varía de acuerdo a
cuán rápido se mueva el cuerpo que la
posea.

Explique en qué consiste la
electrización por contacto

Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo
con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el
mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con
otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga
positiva.

Esto se debe a que habrá transferencia de
electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad
hacia el que los contenga en menor proporción y
manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga
sea la misma en ambos cuerpos.

• Explique en qué consiste la
  electrización por
  inducción

La inducción es un proceso de carga de un objeto
sin contacto directo.

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a
otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo
electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las
cargas del primero y las del cuerpo neutro.

Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo
electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres
del cuerpo neutro.

En este proceso de redistribución de cargas, la
carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en
algunas zonas se carga positivamente y en otras
negativamente.

Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas.
Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una
carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo
atrae.

El diagrama de
abajo muestra el
procedimiento
para electrificar un cuerpo por inducción. Es importante
tener en cuenta que la carga obtenida por este método es
de signo opuesto a la carga del inductor.

¿Qué son las materiales
conductores aislantes y semiconductores?

Existen también otros elementos denominados
metaloides, que actúan como semiconductores de la
corriente eléctrica. Entre esos elementos o materiales se
encuentran el silicio (Si), el galio (Ga) y el germanio (Ge).

Los átomos de esos elementos son menos propensos a ceder
electrones cuando los atraviesa una corriente eléctrica y
su característica principal es dejarla pasar en un solo
sentido e impedirlo en sentido contrario.

El cristal de silicio es el elemento más
utilizado en la actualidad  como material
semiconductor  para fabricar diodos, transistores,
circuitos
integrados y los microprocesadores
que utilizan los ordenadores o computadoras
personales, así como otros dispositivos digitales. A la
derecha se pueden ver las patillas de conexión situadas en
la parte inferior de un microprocesador
Pentium
4.

Por último están los materiales aislantes,
cuyos átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos
materiales se encuentran el plástico,
la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y
otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al
paso de la corriente eléctrica.

Si establecemos de nuevo una analogía con un
líquido que circule a través del circuito
hidráulico de una tubería, como se hizo al
principio de este tema con los conductores, el aislador
sería el equivalente al mismo tubo del circuito
hidráulico, pero en este caso conteniendo líquido
congelado, lo cual obstruiría por completo el movimiento de
los átomos del líquido a través de la
tubería. Esto sería algo similar a lo que ocurre
con las cargas eléctricas cuando tropiezan con un material
aislante que le interrumpe el paso en un circuito
eléctrico. 

Esa es, precisamente, la función de
los aisladores que vemos colgando de las torres de
distribución eléctrica, para soportar los cables y
evitar que la corriente pase a la estructura
metálica o de cemento de la
torre.

Aislador empleado para soportar los cables de
aluminio que,
colgados de las torres de alta tensión, transmiten la
energía. Eléctrica hasta los lugares que la
requieren.

Explique en qué consiste la
conservación de la carga
eléctrica

Todo objeto cuyo número de electrones sea
distinto al de protones tiene carga eléctrica. Si tiene
más electrones que protones la carga es negativa. Si tiene
menos electrones que protones, la carga es positiva.

Los electrones no se crean ni se destruyen, sino que
simplemente se transfieren de un material a otro. Cuando un
cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que
recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro. La
carga se conserva. En todo proceso, ya sea en gran escala o en el
nivel atómico y nuclear, se aplica el concepto de
conservación de la carga. Jamás se ha observado
caso alguno de creación o destrucción de carga
neta. La conservación de la carga es una de las piedras
angulares de la física, a la par con la
conservación de la energía de la cantidad de
movimiento.
Todo objeto con carga eléctrica tiene un exceso o una
deficiencia de cierto número entero de electrones: los
electrones no se pueden dividir en fracciones. Esto significa que
la carga del objeto es un múltiplo entero de la carga del
electrón. El objeto no puede poseer una carga igual a 1.5
o a 1000.5 electrones, por ejemplo. Todos los objetos cargados
que se han observado hasta ahora tiene una carga que es un
múltiplo entero de la carga de un solo
electrón.

Explique en qué consiste la
divisibilidad de la carga eléctrica

Fueron los experimentos de Faraday sobre la electrólisis, realizados hacia 1830, los
que

Sugirieron que los átomos no eran tan simples e
indivisibles como Dalton supuso. El hecho de que la corriente
eléctrica produjera un cambio químico indicaba la
existencia de una relación entre electricidad y materia, o en
otras palabras, que los átomos debían poseer una
estructura de naturaleza
eléctrica. Pero, ¿en qué consistía la
electricidad? ¿Por qué, aunque sus propiedades eran
conocidas, la electricidad seguía considerándose,
como desde el principio, un fluido misterioso?

La clasificación periódica de los
elementos, conocida años más tarde, también
apuntaba a la complejidad del átomo. En
efecto, si, según Dalton, la propiedad más
importante del átomo era su peso, los elementos de peso
atómico parecido (que ocupan posiciones contiguas en la
clasificación) debían tener propiedades semejantes.
¿Cómo se explicaba entonces que después de
cada halógeno (fuertemente oxidante) viniera un gas noble
(totalmente inerte) y que siguiera un metal alcalino (muy
reductor)? Esta repetición periódica de las
propiedades de los elementos podía tener
explicación en función de un modelo de átomo
no simple, cuya estructura fuera la que se
repitiese.

Hasta los últimos años del siglo XIX no se
comprobó que el átomo era divisible y
poseía, además, naturaleza eléctrica. Tales
conclusiones llegaron de un lugar inesperado: del estudio de las
descargas eléctricas en los tubos de
vacío.

Explique en qué consiste la
ley de Coulomb
y exprese su ecuación.

La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a
Charles-Augustin de Coulomb, quien fue el
primero en describir en 1785 las
características de las fuerzas
entre cargas
eléctricas.[1] Henry
Cavendish también obtuvo la relación
inversa de la ley con la distancia, aunque nunca publicó
sus descubrimientos y no fue hasta 1879
cuando James Clerk Maxwell los
publicó.[2]

La ley puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas
eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de
la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa.

    Y    

¿Qué
son los imanes?

Un imán (del francés aimant) es un
cuerpo o dispositivo con un campo
magnético significativo, de forma que tiende
a alinearse con otros imanes (por ejemplo, con el
campo magnético terrestre).

Los imanes pueden ser: naturales o
artificales, o bien, permanentes o
temporales.

Un imán natural es un mineral con
propiedades magnéticas. Tal es el caso de la magnetita,
que es un óxido de hierro
(Fe3O4).

Un imán artificial es un cuerpo de
material ferromagnético al que se ha comunicado la
propiedad del magnetismo, ya
sea mediante frotamiento con un imán natural o por por la
acción
de corrientes eléctricas
aplicadas en forma conveniente
(electroimanación).

Un imán permanente está fabricado
en acero imanado
(hierro con un alto contenido en carbono), lo
que hace que conserve su poder
magnético. También se emplea
alnico en algunos casos. Sin embargo, una
fuerte carga eléctrica, un impacto de gran magnitud, o la
aplicación de una elevada cantidad de calor, puede
causar que el imán pierda su fuerza actuante.

Un imán temporal, pierde sus propiedades
una vez que cesa la causa que provoca el magnetismo. Dichos
imanes están fabricados en hierro dulce (con un contenido
muy bajo en carbono).

Un electroimán es una
bobina (en el caso mínimo, una
espira) por la cual circula corriente
eléctrica. Esto genera un campo
magnético isomórfico al
de un imán de barra que imanta
el metal. Un electroimán es un caso particular de un
imán temporal.

Explique en qué consiste el efecto
magnético de la corriente
eléctrica

Electromagnetismo). Es el más importante desde el
punto de vista tecnológico. Una corriente eléctrica
tiene efectos magnéticos (es capaz de atraer o repeler un
imán). Por otra parte, el movimiento relativo entre un
imán y una bobina (un hilo metálico arrollado) se
aprovecha en las máquinas
eléctricas para producir movimiento o para generar
electricidad.

¿A qué se llama campo
magnético?

El campo magnético es una propiedad de espacio
por la cual una carga eléctrica
puntual de valor q que se desplaza a una
velocidad , sufre los efectos de una
fuerza que es
perpendicular y proporcional tanto a la
velocidad como al campo, llamada inducción
magnética (o según algunos autores,
Densidad de flujo magnético). Así, dicha
carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente
igualdad.

Si bien algunos marcos magnéticos han sido
conocidos desde la antigüedad, como por ejemplo el poder de
atracción que sobre el hierro ejerce la
magnetita, no fue sino hasta el siglo XIX
cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo
quedó plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados
a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo.

Antes de 1820, el único magnetismo conocido era
el del hierro. Esto cambió con un profesor de
ciencias poco
conocido de la Universidad de
Copenhague,
Dinamarca, Hans Christian
Oersted. En 1820 Oersted preparó en su casa
una demostración científica a sus amigos y
estudiantes. Planeó demostrar el calentamiento de un hilo
por una corriente eléctrica y también llevar a cabo
demostraciones sobre el magnetismo, para lo cual dispuso de una
aguja de brújula
montada sobre una peana de madera.

Mientras llevaba a cabo su demostración
eléctrica, Oersted notó para su sorpresa que cada
vez que se conectaba la corriente eléctrica, se
movía la aguja de la brújula. Se calló y
finalizó las demostraciones, pero en los meses siguientes
trabajó duro intentando explicarse el nuevo
fenómeno. ¡Pero no pudo! La aguja no era ni
atraída ni repelida por ella. En vez de eso tendía
a quedarse en ángulo recto. Hoy
sabemos que esto es una prueba fehaciente de la relación
intrínseca entre el campo magnético y el campo
eléctrico plasmada en las ecuaciones de
Maxwell.

Como ejemplo para ver la naturaleza un poco distinta del
campo magnético basta considerar el intento de separar el
polo de un imán. Aunque rompamos un imán por la
mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a
partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos
polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen
los monopolios
magnéticos.

Nombre y Explique cada uno de los
aspectos de medida basados sobre los efectos
electromagnéticos.

Través de la historia de la Física
se puede apreciar la importancia que ha tenido el
electromagnetismo, una de las principales revoluciones del siglo
XIX que ha dado paso a grandes descubrimientos
tecnológicos.

Los primeros fenómenos magnéticos
observados estaban ligados a los llamados imanes naturales,
actualmente sabemos que los fenómenos magnéticos se
deben a fuerzas originadas por cargas eléctricas en
movimiento; en otras palabras, toda carga además de crear
un campo eléctrico, cuando se desplaza origina en el
espacio que le rodea una nueva perturbación que constituye
un campo magnético.

El descubrimiento de las leyes de la
electricidad en el siglo XIX ha dado paso al desarrollo de
la sociedad
actual. Tras las importantes aportaciones de físicos como
Ampére y Faraday fue James Clerk Maxwell quien con
sus famosas cuatro ecuaciones sistematizó todos los
hallazgos en el campo de la Electricidad y el Magnetismo. Maxwell
pensó que las ondas luminosas
eran ondas electromagnéticas y que se podía
elaborar una teoría
electromagnética de la luz, obtuvo la
primera relación entre magnitudes ópticas y
eléctricas.

Autor:

Osdashil de Jesús Palma CH

Nadimir Maestre

Omar Preney

República Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular para la
Educación