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CARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
la vida. Las células desu cuerpo no podríanfuncionar sin aguadonde se disolvieranlas moléculasbiológicas esenciales.¿Qué propiedadeseléctricas del aguala hacen tan buensolvente?
En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricasentre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, además
de contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones eleCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
la vida. Las células desu cuerpo no podríanfuncionar sin aguadonde se disolvieranlas moléculasbiológicas esenciales.¿Qué propiedadeseléctricas del aguala hacen tan buensolvente?
En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricasentre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, además
de contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones eleCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
la vida. Las células desu cuerpo no podríanfuncionar sin aguadonde se disolvieranlas moléculasbiológicas esenciales.¿Qué propiedadeseléctricas del aguala hacen tan buensolvente?
En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricas
entre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, además
de contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones eleCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
la vida. Las células desu cuerpo no podríanfuncionar sin aguadonde se disolvieranlas moléculasbiológicas esenciales.¿Qué propiedadeseléctricas del aguala hacen tan buensolvente?
En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricasentre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, ademásde contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones electrostáticasse rigen por una relación sencilla que se conoce como ley de Coulomb, y esmucho más conveniente describirlas con el concepto de campo eléctrico. En capítulosposteriores incluiremos en nuestro análisis cargas eléctricas en movimiento, lo quenos llevará a entender el magnetismo y, en forma notable, la naturaleza de la luz.Si bien las ideas clave del electromagnetismo son sencillas en lo conceptual, suaplicación a cuestiones prácticas requerirá muchas de nuestras destrezas matemáticas,710 CAPÍTULO 21 Carga eléctrica y campo eléctricoen especial el conocimiento de la geometría y del cálculo integral. Por esta razón, ellector verá que este capítulo y los siguientes son más demandantes en cuanto a nivelmatemático que los anteriores. La recompensa por el esfuerzo adicional será una mejorcomprensión de los principios que se encuentran en el corazón de la física y la tecnologíamodernas.
21.1 Carga eléctricaEn una época tan remota como 600 A.C., los griegos de la antigüedad descubrieronque cuando frotaban ámbar contra lana, el ámbar atraía otros objetos. En la actualidaddecimos que con ese frotamiento el ámbar adquiere una carga eléctrica neta o que secarga. La palabra “eléctrico” se deriva del vocablo griego elektron, que significa ámbar.Cuando al caminar una persona frota sus zapatos sobre una alfombra de nailon,se carga eléctricamente; también carga un peine si lo pasa por su cabello seco.Las varillas de plástico y un trozo de piel (verdadera o falsa) son especialmentebuenos para demostrar la electrostática, es decir, la interacción entre cargas eléctricasen reposo (o casi en reposo). La figura 21.1a muestra dos varillas de plástico y untrozo de piel. Observamos que después de cargar las dos varillas frotándolas contraun trozo de piel, las varillas se repelen.Cuando frotamos varillas de vidrio con seda, las varillas de vidrio también se cargany se repelen entre sí (figura 21.1b). Sin embargo, una varilla de plástico cargadaatrae otra varilla de vidrio también cargada; además, la varilla de plástico y la piel seatraen, al igual que el vidrio y la seda (figura 21.1c).Estos experimentos y muchos otros parecidos han demostrado que hay exactamentedos tipos de carga eléctrica: la del plástico cuando se frota con piel y la del vidrioal frotarse con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) sugirió llamar a esas dosclases de carga negativa y positiva, respectivamente, y tales nombres aún se utilizan.La varilla de plástico y la seda tienen carga negativa; en tanto que la varilla de vidrioy la piel tienen carga positiva.Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una cargapositiva y una negativa se atraen.+++++++ + ++ + + + +Piel Plásticoa) Interacción entre varillas de plásticocuando se frotan con piel– – – – –– – – – –… pero despuésde frotarlas conpiel, las varillasse repelen.Dos varillas de plásticosimples ni se atraenni se repelen …Seda Vidriob) Interacción entre varillas de vidriocuando se frotan con seda+ + + + ++++++… pero despuésde frotarlas con seda,las varillas se repelen.Dos varillas de vidriosimples ni se atraenni se repelen entre sí …c) Interacción entre objetos con cargas opuestas– – – – – + + + + +… y la piel y el vidrioatraen cada unoa la varillaque frotaron.La varilla de plásticofrotada con piel yla varilla devidrio frotadacon sedase atraen …21.1 Experimentos de electrostática. a) Los objetos cargados negativamente se repelen entre sí. b) Los objetos cargados positivamente
se repelen entre sí. c) Los objetos con carga positiva se atraen con los objetos que tienen carga negativa.21.1 Carga eléctrica 711Tinta (con carga positiva)Papel (se alimentahacia la izquierda)Tamborrotatorioformadorde imágenes1 Un conductor esparce iones sobre el tambor,dándole a éste una carga positiva.2 El rayo láser “escribe” sobre el tambor, con lo quecarga negativamente las áreas donde estará la imagen.3 El rodillo aplica al tambor tinta cargadapositivamente. La tinta se adhiere sóloa las áreas del tambor con carga negativadonde el láser “escribió”.4 Los conductores esparcen una carganegativa más fuerte sobre el papelpara que la tinta se adhiera.5 Los rodillos de fusión calientanel papel para que la tintase adhiera en formapermanente.6 La lámpara descarga el tamborpara dejarlo listo para iniciarde nuevo el proceso.– –––––––––––– – – – – – –– ––––+ ++ + ++ ++ +++++ +++++++++++++++21.2 Esquema de la operación de una impresora láser.CUIDADO Atracción y repulsión eléctricas En ocasiones, la atracción y la repulsiónde dos objetos cargados se resume como “cargas iguales se repelen, y cargas opuestas seatraen”. Sin embargo, tenga en cuenta que la frase “cargas iguales” no significa que las dos cargassean idénticas, sino sólo que ambas carga tienen el mismo signo algebraico (ambas positivaso ambas negativas). La expresión “cargas opuestas” quiere decir que los dos objetos tienencarga eléctrica de signos diferentes (una positiva y la otra negativa). ❚Una aplicación tecnológica de las fuerzas entre cuerpos cargados es una impresoraláser (figura 21.2). Al inicio del proceso de impresión, se da una carga positivaal tambor formador de imágenes que es sensible a la luz. Mientras el tambor gira,un rayo láser ilumina áreas seleccionadas del tambor, lo cual deja tales áreas concarga negativa. Partículas cargadas positivamente de la tinta se adhieren sólo en lassuperficies del tambor en que el láser “escribió”. Cuando una hoja del papel entra
en contacto con el tambor, partículas de la tinta se adhieren a la hoja y forman laimagen.Carga eléctrica y la estructura de la materiaCuando se carga una varilla frotándola con piel o con seda, como en la figura 21.1, nohay ningún cambio visible en la apariencia de la varilla. Entonces, ¿qué es lo querealmente sucede a la varilla cuando se carga? Para responder esta pregunta, debemosanalizar más de cerca la estructura y las propiedades eléctricas de los átomos, que sonlos bloques que constituyen la materia ordinaria de todas clases.La estructura de los átomos se describe en términos de tres partículas: el electrón,con carga negativa; el protón, cuya carga es positiva; y el neutrón, sin carga(figura 21.3) El protón y el neutrón son combinaciones de otras entidades llamadasquarks, que tienen cargas de y de la carga del electrón. No se han observadoquarks aislados, y no hay razones teóricas para suponer que en principio estosea imposible.Los protones y los neutrones en un átomo forman el núcleo, pequeño y muy denso,cuyas dimensiones son del orden de 10–15 m. Los electrones rodean al núcleo adistancias del orden de 10–10 m. Si un átomo midiera algunos kilómetros de diámetro,su núcleo tendría el tamaño de una pelota de tenis. Los electrones cargados negativamentese mantienen dentro del átomo gracias a fuerzas eléctricas de atracciónque se extienden hasta ellos, desde el núcleo con carga positiva. (Los protones y losneutrones permanecen dentro del núcleo estable de los átomos, debido al efecto deatracción de la fuerza nuclear fuerte, que vence la repulsión eléctrica entre los protones.
La fuerza nuclear fuerteCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
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En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricasentre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, además
de contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones eleCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
la vida. Las células desu cuerpo no podríanfuncionar sin aguadonde se disolvieranlas moléculasbiológicas esenciales.¿Qué propiedadeseléctricas del aguala hacen tan buensolvente?
En el capítulo 5 mencionamos brevemente las cuatro clases de fuerzas fundamentales.
Hasta este momento, la única de tales fuerzas que hemos estudiadocon cierto detalle es la gravitatoria. Ahora estamos listos para analizar la fuerzadel electromagnetismo, que incluye tanto la electricidad como el magnetismo. Losfenómenos del electromagnetismo ocuparán nuestra atención en la mayoría de lo queresta del libro.Las interacciones del electromagnetismo implican partículas que tienen una propiedadllamada carga eléctrica, es decir, un atributo que es tan fundamental como lamasa. De la misma forma que los objetos con masa son acelerados por las fuerzasgravitatorias, los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por lasfuerzas eléctricas. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando de frotasus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica, se debe a partículascargadas que saltan de su dedo a la perilla. Las corrientes eléctricas como las deun relámpago o una televisión tan sólo son flujos de partículas cargadas, que correnpor cables en respuesta a las fuerzas eléctricas. Incluso las fuerzas que mantienen unidosa los átomos y que forman la materia sólida, evitando que los átomos de objetossólidos se atraviesen entre sí, se deben en lo fundamental a interacciones eléctricasentre las partículas cargadas en el interior de los átomos.En este capítulo comenzamos nuestro estudio del electromagnetismo con el análisisde la naturaleza de la carga eléctrica, la cual está cuantizada y obedece cierto principiode conservación. Después pasaremos al estudio de las interacciones de lascargas eléctricas en reposo en nuestro marco de referencia, llamadas interaccioneselectrostáticas, y que tienen muchísima importancia en la química y la biología, además
de contar con diversas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones eleCARGA ELÉCTRICA YCAMPO ELÉCTRICO?El agua hace posible
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