MATERIA Y ELECTRICIDAD [pic]  1.- La electricidad a través de la historia

 

Hacia el año 600 AC, el filósofo griego Tales de Mileto observó que frotando una varilla de ambar con una piel o con lana, se podía crear pequeñas cargas,
que atraían pequeños objetos. También habían observado que si la frotaban mucho tiempo podían causar la aparición de una chispa. Los griegos denominaron a
este fenómenoelectricidad.
Hace cuatrocientos años William Gilbert, posteriormente médico de la reina Isabel I de Inglaterra, publicó su gran estudio del magnetismo, 'De Magnete'
('Sobre el Magneto'). Dando la primera explicación racional de la rara habilidad que tiene la aguja del iman de apuntar hacia el norte: la propia Tierra era

magnética. 'De Magnete' abrió la era de la física y astronomía modernas y comenzó un siglo marcado por los grandes descubrimientos
de Galileo,Kepler, Newton y otros. Gilbert descubrió que muchos materiales se comportaban de manera parecida al ambar cuando eran frotados y, por ello, los
llamó eléctricos.
Charles François de Cisternay du Fay (París, 1698 – 1739) fue un físico francés, superintendente de los jardines reales. De familia prominente con influencia
en ambientes militares y eclesiasticos, su padre le consiguió el nombramiento de químico adjunto en la Academie des Sciences.
Aún sin tener una formación científica Du Fay pronto destacó en sus experimentos sobre la electricidad, realizando varios descubrimientos cruciales: entre
ellos, la existencia de cargas de distinto signo (que llamó vítrea y resinosa, actualmente denominadas positiva y negativa), la existencia de
cuerpos conductores y aislantes, y la fuerza de repulsión existente entre cuerpos cargados con electricidad del mismo signo.
 
La afición de Benjamin Franklin por los temas científicos comenzó a mediados de XVII, y coincidió con el comienzo de su actividad política. Estuvo claramente
influenciado por científicos coetaneos como Isaac Newton, oJoseph Addison (especialmente sus obras Ensayo sobre el entendimiento de Locke y El espectador).
En 1743 es elegido presidente de la Sociedad FilosóficaAmericana.
A partir de 1747 se dedica principalmente al estudio de los fenómenos eléctricos. Enunció el Principio de conservación de la electricidad. De sus estudios
nace su obra científica mas destacada, Experimentos y observaciones sobre electricidad. En 1752 lleva a cabo en Francia su famoso experimento con la cometa.
Ató una cometa con esqueleto de metal a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una llave también metalica. Haciéndola volar un día de tormenta, confirmó
que la llave se cargaba de electricidad, demostrando así que las nubes estan cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Gracias a este
experimento creó su mas famoso invento, el pararrayos. A partir de ahí, se instalaron por todo el estado (había ya 400 en 1782), llegando a Europa en la
década de los '60. Presentó la teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y la negativa, a partir de la
observación del comportamiento de las varillas de ambar, o del conductor eléctrico, entre otros.
 
Los fenómenos observados por Cisternay du Fay y por Franklin se deben a lo que se denomina electricidad estatica (cargas eléctricas en reposo), que se
explica a su vez por la naturaleza eléctrica de la materia.
Hay dos tipos de carga eléctrica, la positiva y la negativa. Dos cargas eléctricas del mismo signo (las dos positivas o las dos negativas) se repelen. Por el
contrario, si las dos cargas eléctricas son de distinto signo (una positiva y la otra negativa), habra atracción entre ellas.
Las cargas eléctricas se explican a partir de la estructura atómica de la materia. La carga positiva la llevan los protones y la negativa los electrones. Si
un cuerpo esta cargado positivamente es por tener un exceso de protones; es decir, como lo que se mueve suelen ser los electrones, por tener menos electrones
que protones. Por otro lado, si un cuerpo esta cargado negativamente es por tener mas electrones que protones. Los cuerpos sin carga son aquellos que tienen
el mismo número de protones que de electrones.
 
 
atomo eléctricamente neutro

 
atomo con carga negativa

atomo con carga positiva


Puedes obtener mas información sobre la historia de la electricidad pinchando aquí.
 
 

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 Electrización de la materia

La materia por defecto es eléctricamente neutra. Un cuerpo se encuentra cargado cuando ha perdido o ganado electrones, de
manera que algunos atomos ya no tienen el mismo número de electrones que de protones y por tanto se denominan iones. Un
atomo se cargara positivamente si pierde electrones y se cargara negativamente si gana electrones.
2.1 Unidades de carga eléctrica
Las cargas eléctricas se  detectan mediante un electroscopio o péndulo eléctrico. La carga eléctrica o cantidadde
energía, Q, es una magnitud que se puede medir. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los
protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se
denomina culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la
corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,25 × 1018 electrones aproximadamente. Por tanto, la
carga de un electrón equivale a 1,6 x 10-9 C.
2.2.- Métodos de electrización
Cargar o electrizar un cuerpo consiste en conseguir que el número de electrones de algunos de sus atomos no sea igual al
número de protones.
Existen dos métodos fundamentales para cargar un cuerpo: por contacto y por inducción o frotamiento.
Para el estudio de la electrización se emplean dos instrumentos muy útiles, el péndulo eléctrico y el electroscopio.
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El electroscopio consta de dos laminas delgadas de oro o aluminio A que estan fijas en el extremo de una varilla metalica B
que pasa a través de un soporte C de ebonita, ambar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo
cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga
que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostatica se equilibra con el peso de las hojas.

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Un péndulo eléctrico consiste de una esfera de médula de saúco sostenida por un soporte con un hilo de seda aislante.

Electrización por contacto:
Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera,
los dos cuerpos quedan cargados con elmismo tipo de carga.
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La figura muestra un electroscopio. Al tocar con un cuerpo cargado la esfera superior, la carga penetra hasta las laminas,
éstas al adquirir la misma carga se repelen y se separan.
Electrización por frotamiento:
Al frotar un cuerpo fuertemente con un paño, este se carga positiva o negativamente dependiendo de su tendencia a perder o
ganar electrones respectivamente. Por ejemplo al frotar una barra de vidrio, ésta se cargara positivamente.
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Electrización por inducción:
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que esta neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un
cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.
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Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del
cuerpo electrizado se acercan a éste.
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En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas
esta cargado positivamente y en otras negativamente

Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo
contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

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Fuerzas entre cargas eléctricas. Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, uno de sus descubridores y el primero en
publicarlo. No obstante,Henry Cavendish obtuvo la expresión correcta de la ley, con mayor precisión que Coulomb, si bien
esto no se supo hasta después de su muerte.
Coulomb estudió en detalle las fuerzas de interacción entre partículas con carga eléctrica, haciendo referencia a cargas
puntuales (aquellas cargas cuya magnitud es muy pequeña respecto a la distancia que los separa).
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Balanza de torsión de Coulomb
Este notorio físico francés efectuó mediciones muy cuidadosas de las fuerzas existentes entre cargas puntuales utilizando
una balanza de torsión similar a la usada por Cavendish para evaluar la ley de la gravitación universal.
La balanza de torsión consiste en una barra que cuelga de una fibra. Esta fibra es capaz de torcerse, y si la barra gira
la fibra tiende a regresarla a su posición original. Si se conoce la fuerza de torsión que la fibra ejerce sobre la barra
se logra un método sensible para medir fuerzas.
En la barra de la balanza, Coulomb, colocó una pequeña esfera cargada y, a continuación, a diferentes distancias,
posicionó otra esferita con carga de igual magnitud. Luego midió la fuerza entre ellas observando el angulo que giraba la
barra.
 

 
 

Dichas mediciones permitieron determinar que:
1) La fuerza de interacción entre dos cargas q1 y q2 duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la
triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyóentonces que el
valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas:
       y       
en consecuencia:
  

2) Si la distancia entre las cargas es r, al duplicarla, la fuerza de interacción disminuye en un factor de 4; al
triplicarla, disminuye en un factor de 9 y al cuadriplicar r, la fuerza entre cargas disminuye en un factor de 16. En
consecuencia, la fuerza de interacción entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la
distancia:
  
Asociando las relaciones obtenidas en 1) y 2):
  
Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad:

 
La fuerza electrostatica depende del medio en que estén situadas las cargas eléctricas; por ello, hubo que introducir la
constante k, llamada constante de Coulomb. En el vacío esta constante vale:
k= 9 x 109 N m2 /C2
Enunciado de la Ley de Coulomb:
'La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional
al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa'
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Variación de la fuerza de Coulomb en función de la distancia

 
Puedes obtener mas información sobre la Ley de Coulomb  aquí.

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4. Campo eléctrico

 

Todos los cuerpos cargados modifican las propiedades del espacio en una zona próxima a ellos. Esa zona constituye
un campo eléctrico.
La intensidad de campo eléctrico, E, en un punto es la fuerza que actuaría sobre una hipotética carga positiva de un
culombio que estuviera en dicho punto. La intensidad de campo eléctrico se mide en newton por metro, N/C:
E= F/Q´
El campo eléctrico se representa graficamente mediante líneas de fuerza.
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Campo eléctrico creado por una moneda positiva
Las líneas de fuerza del campo creado por una carga positiva son salientes. Las líneas de fuerza del campo creado por una
carga negativa son entrantes.
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Líneas de campo de una carga positiva y de una carga negativa
Puedes obtener mas información sobre el campo eléctrico aquí
Potencial y diferencia de potencial.
El potencial eléctrico, V, de un punto del campo de trabajo, W, que hay que realizar para transportar la unidad de carga
positiva desde el infinito hasta dicho punto:
potencial eléctrico = trabajo/carga   V=W/Q´
La unidad de potencial eléctrico en el SI es el julio por culombio (J/C), que se denomina voltio, V.
Un punto tiene un potencial de un voltio si se realiza un trabajo de unjulio para transportar un culombio de carga
positiva desde el infinito a dicho punto.
La diferencia de potencial (ddp), VAB´ entre dos puntos cualesquiera de un campo eléctrico, Ay B, es el trabajo que hay
que realizar para desplazar la unidad de carga eléctrica positiva de B hasta A.
 
Puedes obtener mas información sobre el potencial y la diferencia de potencial aquí.

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Electricidad en movimiento

La corriente eléctrica es el desplazamiento continuo de electrones.
Conductores y aislantes
Debido a que la estructura de los materiales difiere notablemente de unos a otros, no todos los cuerpos permiten el paso de la
corriente eléctrica con la misma facilidad.
A los que menor oposición presentan se les denomina materiales conductores. Entre ellos, destacan el oro y la plata; pero su
elevado precio hace que sólo se empleen en aparatos electrónicos de precisión. Los materiales comúnmente empleados son el cobre
y el aluminio. Son peores conductores pero muchísimo mas económicos.
La experiencia nos enseña que hay ciertos materiales que se oponen casi totalmente al paso de corriente eléctrica. Estos reciben
el nombre de materiales aislantes. Buenos ejemplos de aislante son la madera, el plastico, el papel, la porcelana, los barnices
aislantes, etc. Obsérvese que se ha dicho que estos materiales se oponen 'casi totalmente' al paso de la corriente eléctrica,
queriendo con ello resaltar que aun sin favorecer el paso de electrones, en ciertas condiciones 'especiales', no existen
materiales aislantes. No obstante, se consideran materiales no conductores, o sea, aislantes en condiciones normales

El interior del cable es el conductor y la envoltura exterior es el aislante