ELECTRICIDAD

Capítulo13

TEORÍA ELECTRÓNICATEORÍA ELECTRÓNICATEORÍA ELECTRÓNICATEORÍA ELECTRÓNICATEORÍA ELECTRÓNICA

En esta sección se analizará las cualidades del electrón, para lo cual setomará como muestra una gota de agua, para así obtener una explica-ción simple y sencilla.Supongamos que usted posee un súper microscopio capaz de aumen-tar las imágenes tanto como vuestra imaginación desee.

Una gota de agua (H2O).La gota inicial se dividió en

partículas.Una partícula se dividió a su vez en

partículas más pequeñas.

Esta división de partículas se puede seguir realizando,sin embargo llegará un momento en que la gotita seatan pequeña que toda nueva división le hará perderlas características de agua. A esta partecita se le deno-mina, Molécula.

Según la teoría cinético – molecular, una molécula deagua está conformada por tres átomos ( 2 de hidróge-no y 1 de oxigeno): H2O.

Si analizamos uno de estos átomos, por ejemplo el de hidrógeno, se comprobará que éste es como un sistema solar(un Sol con un planeta que gira a su alrededor). Al planeta se le conoce como el electrón y al Sol como núcleo.

Jorge Mendoza Dueñas276

Dentro del núcleo se encuentra el protón (es) y losneutrones.

Electrón : carga negativaProtón : carga positivaNeutrón : sin carga = 0+

+

ELECTRICIDAD

Es el efecto que produce los electrones al trasla-darse de un punto a otro.La palabra electricidad proviene del términoelektron (en griego electrón) que significa ámbar.

OBSERVACIONES

1.- En el átomo el número total de electro-nes que giran alrededor del núcleo esexactamente igual al número de cargaspositivas contenidas en el núcleo (estadoneutro del cuerpo).

2.- Los números de protones, neutrones yelectrones dependen del átomo del cuer-po en referencia. Como se verá el electrón y protón tienen la misma

carga pero de signo contrario; además:

Unidades de carga eléctrica en el S.I.

Coulomb (C)

Sistema Adicional

statCoulomb (stC)

Equivalencia

1 C = 3×109 stC

CUANTIFICACIÓN DEL ELECTRÓN Y PROTÓN

Ejemplo.- El siguiente cuerpo muestra la presen-cia de cuatro electrones y un protón; determinar elnúmero “n”.

q = ne

Donde: q = carga del cuerpoe = carga del electrónn = número entero

Solución:

El cuerpo muestra un exceso de electrones:

q = 3e

De donde se deduce que el número entero n es 3

CARGA ELÉCTRICA (q)

Es una propiedad fundamental del cuerpo, la cualmide el exceso o defecto de electrones.

La carga fundamental, es la carga del electrón.

MASA CARGA

Electrón 9,02×10−31 kg −1,6×10−19 C

Protón 1,66×10−27 kg +1,6×10−19 C

Cuerpodescargado

Cuerpocargado

negativamente

Cuerpocargado

positivamente

Electricidad 277

INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICAINTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTÁTICA

Concepto de ElectrostáticaEs una parte de la electricidad que se encarga deestudiar las cargas eléctricas en reposo.

Conductor (buen conductor de la electricidad)

Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas semueven sin encontrar mayor resistencia; ejemplo:Los metales, el cuerpo humano, etc.

Aislador o dieléctrico (mal conductor de laelectricidad)

Es aquel cuerpo en el cual las cargas eléctricas en-cuentran gran resistencia para poder moverse.

El caso contrario: el átomo puede recibir uno o máselectrones de otro átomo, se cargará entonces ne-gativamente.

FORMAS DE ELECTRIZAR UN CUERPO

A) Por frotamientoSi se frotan dos materiales entre sí, los elec-trones de uno de ellos pueden ser expulsa-

Si un electrón recibe un exceso de energía, debido a un fenómeno externo, elelectrón puede escaparse del átomo, entonces se habrá electrizado el cuerpo.El átomo tendrá mayor cantidad de protones que electrones, se habrá carga-do entonces positivamente.

ESTADOS ELÉCTRICOS DE UN CUERPO

dos de sus órbitas e incorporarse al otro. Elmaterial que capta a los electrones tendrácarga negativa, mientras el material que pier-de electrones adquirirá carga positiva.

B) Por InducciónCuando un cuerpo cargado negativamente (in-ductor) se acerca a un cuerpo “conductor”, loselectrones libres del conductor serán repelidoshacia el otro extremo, de manera que un ladodel conductor (inducido) queda cargado po-sitivamente y el otro lado negativamente.

Después de ser frotados, ambosquedan cargados.

NOTA

La Tierra es considerada como un gran manan-tial de electrones, por tener una inmensa canti-dad de electrones.

REPRESENTACIÓN:

Un cuerpo en su estado natu-ral tiene el mismo número deelectrones que protones en elnúcleo.

ç

Algunos materiales que produ-cen electricidad estática fácil-mente son: el vidrio, el ámbar, labakelita, ceras, franela, seda, ra-yón, etc., así tenemos: si se frotaPVC con lanilla, la varilla ganaelectrones y se carga negativa-mente, mientras que la lanillaadquiere carga positiva.

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C) Por PolarizaciónCuando un cuerpo cargado positivamentepor ejemplo (inductor) se acerca a un extre-mo de un cuerpo “aislador”, se produce unreordenamiento de las cargas en dicho aisla-dor ya que se produce en él, un movimientopequeño (menor que el diámetro atómico)por parte de los electrones.

CONSERVACIÓN DE LA CARGA

En la electrización de un cuerpo, las cargas eléctri-cas no se crean ni se destruyen, tan sólo sufren unintercambio de éstas, en otras palabras la carga to-tal se ha conservado.

EL ELECTROSCOPIO

Es un instrumento que sirve para determinar lapresencia o ausencia de cargas eléctricas de uncuerpo.Para esto, el cuerpo cargado se acerca o se pone encontacto a la esferita metálica, en esta situación lashojas metálicas se abrirán.

¿Cómo funciona el electroscopio?

El electroscopio funciona cumpliendo la cualidadde fuerzas de atracción y repulsión entre cuerposcargados eléctricamente así como la conductividaden los metales.En el ejemplo se tomará una barra cargada positi-vamente, para hacer funcionar un electroscopio sepuede ejecutarlo por “contacto” o “inducción”.

A) Por inducción.- Cuando la barra cargada po-sitivamente se acerca a la bola de metal (sin to-carla), se producirá una inducción electrostáticaen el electroscopio.Los electrones serán atraídos por la barra tras-ladándose éstas a la bola de metal quedandolas cargas positivas en las hojas, rechazándoseentre si, por lo cual éstas se abrirán.Al alejar la barradel electroscopio,los electronesubicados en labola se traslada-rán a las hojasquedando neu-tro dichas hojas,motivo por elcual éstas se ce-rrarán.

B) Por contacto.- Cuando la barra cargada po-sitivamente toca a la bola de metal, los elec-trones del electroscopio pasan a la barracreando en él una deficiencia de electronesquedando cargado positivamente; comoquiera que ahora las láminas tienen cargasdel mismo signo, se rechazarán y por lo tan-to se abrirán.Al alejar la barradel electrosco-pio, éste quedarácargado positi-vamente (signode la barra) y porlo tanto las hojaspermaneceránabiertas (debidoa la repulsiónelectrostática).

ANTES DESPUÉS

Electricidad 279

¿Cómo determinar el signo de una cargaeléctrica empleando el electroscopio?

Para ello en primer lugar hay que tener unelectroscopio cargado cuyo signo se conoce. Su-pongamos que empleamos el electroscopio carga-do positivamente.

a) Si las hojas se alejan.- Las hojas se abren másdebido al incremento de la fuerza electros-tática y ésta debido al aumento de cargaspositivas para lo cual los electrones delelectroscopio han debido escapar a la barraproducto de una atracción de cargas eléctri-cas (cargas de signo contrario) lo cual signifi-ca que la barra tendrá carga positiva.

b) Si las hojas se acercan

¿Cómo descargar un electroscopio cargadoeléctricamente?

Electroscopio cargado positivamente.Si las hojas se cierran un tanto, la ba-rra tendrá signo contrario (negativo).

Electroscopio cargado positivamente.Si las hojas se abren más, la barra ocuerpo tendrá el mismo signo.

Electroscopio cargado positivamente.

Al conectar el electroscopio a Tierra,los electrones de ésta subirán y entra-rán a dicho aparato neutralizando lascargas positivas.

PODER DE LAS PUNTAS

Una superficie puntual tiene área muy pequeña ysi está cargada, la densidad de carga eléctrica sehace máxima en dicha punta, tanto así que las car-gas ahí acumuladas tienden a escaparse más omenos con gran fuerza, generando él llamado “vien-to eléctrico” capaz de apagar una vela.Una aplicación directa de este fenómeno es elpararrayos.

Electroscopio cargado negativamente.

Al conectar el electroscopio a Tierra,los electrones del primero escaparánhacia Tierra hasta que el electrosco-pio logre ser descargardo.

Para descargar un electroscopio cargado negativao positivamente, bastará conectarlo a Tierra; ya queésta tiene un gran manatial de electrones, de talmanera que ganar o perder electrones no difiere lacarga total de la Tierra.

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LEYES DE LA ELECTROSTÁTICALEYES DE LA ELECTROSTÁTICALEYES DE LA ELECTROSTÁTICALEYES DE LA ELECTROSTÁTICALEYES DE LA ELECTROSTÁTICA

1RA LEY (LEY CUALITATIVA)

“Cargas del mismo signo se repelen y cargas de sig-nos diferentes se atraen”.

CARGA CARGA CARGA CARGA CARGA - CAMPO ELÉCTRICO CAMPO ELÉCTRICO CAMPO ELÉCTRICO CAMPO ELÉCTRICO CAMPO ELÉCTRICO

2DA LEY (LEY CUANTITATIVA)

“La fuerza de atracción o repulsión qué existe entredos cuerpos cargados es directamente proporcionala la carga de cada cuerpo e inversamente proporcio-nal al cuadrado de la distancia que las separa”.Se le llama también ley de Coulomb.

PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN

En el caso de la presencia de varias cargas, la fuerzaresultante es la suma vectorial de las fuerzas debi-do a cada una de las cargas.

FKQ Q

d= 1 2

2

Unidades

F Q d K

S.I. N C m

dina stC cmSistemaadicional

9 1092

2× −N m

C

12

2

dina cm

stC

−

b g

CAMPO ELÉCTRICOCAMPO ELÉCTRICOCAMPO ELÉCTRICOCAMPO ELÉCTRICOCAMPO ELÉCTRICO

Es aquella región de espacio que rodea a una car-ga eléctrica y que está conformada por la materiaen estado disperso.Este campo funciona como un transmisor median-te el cual una carga interacciona con otra que estáa su alrededor.

R F F F= + +1 2 1 3 1 4, , ,

Carga de prueba(q)Carga ficticia que sirve para verificar si un puntoestá afectado del campo eléctrico generado por “Q”;si “q” sufre repulsión o atracción, significa que di-cho punto está afectado del campo.

Observar que la fuerza actúa a lo largo de la línea imaginaria que une lascargas.

Electricidad 281

dina

statCoulomb

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO (E)

Es aquella magnitud vectorial que nos indica cuales la fuerza que aplica el campo en un punto sobrela unidad de carga.Se le representa mediante un vector que tiene la mis-ma dirección y sentido que la fuerza electrostática.

LÍNEAS DE FUERZA

Son líneas imaginarias creadas por Miguel Faradayy se utiliza para representar un campo eléctrico.Sus características son:

− Las líneas de fuerza comienzan en las cargaspositivas y terminan en las negativas.

− El número de líneas que abandonan una car-ga puntual positiva o entran en una carga ne-gativa es proporcional a la carga.

− Las líneas se dibujan simétricamente salien-do o entrando a la carga puntual.

− La densidad de líneas es proporcional al va-lor del campo.

− Las líneas de fuerza nunca se cortan.− La tangente a la línea en cualquier punto es

paralela a la dirección del campo eléctrico enese punto.

EF

q=

EKQ

d=

2

Unidades de E en el S.I.

Newton

Coulomb

Otras Unidades:

OBSERVACIÓN

Si se presentan varias cargas y se desea calcularel campo eléctrico en un punto “P”; se aplica elprincipio de superposición.

CAMPO ELÉCTRICO EN UNA ESFERACONDUCTORA

A) En una esfera conductora maciza o hueca en“equilibrio electrostático”, el exceso de car-gas eléctricas se distribuye sobre la superfi-cie externa.

Zona electrizada por fro-tamiento, inducción, etc.

Después de un lapso muy pequeño de tiempolas cargas eléctricas regresan a su estado dereposo pero ahora ubicadas en la superficie ex-terna del cuerpo.

ç

ç

Las cargas eléctri-cas se repelen en-tre ellas y los elec-trones libres sealejan entre si lomás que puedan.

Representación del campo eléctricode una carga puntual positiva.

Representación del campo eléctricode una carga puntual negativa.

Jorge Mendoza Dueñas282

B) En una esfera conductora maciza o hueca en “equilibrio”, el campo eléctrico en el interior de dichaesfera es cero, como no hay campo eléctrico, tampoco habrá líneas de fuerza en el espacio interno,estas empezarán a partir de la superficie externa y serán perpendicular a dicha superficie.

Benjamin Franklin

Nació en Boston, Estados Unidos, en 1706. En esetiempo (siglo XVIII) era escaso el conocimiento sobrela electricidad.

Fue entonces que Franklin, un periodista yautodidacta que había leído los escritos de los grandescientíficos entre ellos los de Isaac Newton, empezó ainteresarse por dicho tema recién a los 40 años de edad,paradójicamente con la historia de otros científicos querealizan la cumbre de sus investigaciones en plena ju-ventud.

Con él apareció una nueva rama de la ciencia des-pués de Newton: La electricidad.

Benjamín Franklin descubrió lo que hoy se conocecon el nombre de “conservación de la carga”, inventóel condensador plano paralelo, demostró que las nubesestán eléctricamente cargadas, demostró también queel rayo es una descarga eléctrica, inventó el pararra-yos. Todo en corto tiempo, ya que más tarde se dedicó ala política.

Muchos afirman que Franklin no fue Científico puro, si no más bien inventor, sin embargo dichosinventos y demostraciones surgieron producto de una investigación científica.Falleció en 1 790 a los 85 años de edad.

Benjamin Franklin

C) Para cualquier punto que se encuentre fuera de la esfera, la intensidad de campo eléctrico es igual alde una carga eléctrica situada en el centro de la esfera.

Si “E” fuese diferentede cero en el interiorde la esfera, los elec-trones libres estaríanen movimiento, locual contradice lacondición del estadode reposo de las car-gas eléctricas.

Las líneas de fuerza sonperpendicular a la super-ficies del conductor. Si tu-viera una componente,las cargas se moveríansobre ella, lo cual no pue-de ser pues el cuerpo seencuentra en equilibrioelectrostático.

En el punto “P”:

EKQ

d=

2

Electricidad 283Ciencia y Tecnología 283

Al peinarnos, genera-mos frotamiento entreel peine y el cabello,hasta llegar cargarelectrostáticamentedicho peine.Al acercar el peinecargado al cabello, seproducen fuerzas deatracción electros-tática, haciendo eri-zar los pelos de lapersona.Esta experiencia se hace más evidente en la sierra que en la costa, ya que en este último, la hume-dad neutraliza las cargas del peine.

Generador de Generador de Generador de Generador de Generador de VVVVVan de Graaffan de Graaffan de Graaffan de Graaffan de Graaff

Este aparato es una máquina electrostática que sirve para producir cargas eléctricas extraordi-narias en la superficie externa de una esfera conductora hueca.Para ello se hace uso de la propiedad de la distribución de cargas eléctricas en la superficieexterna de una esfera conductora.

El peine atrae al cabello:El peine atrae al cabello:El peine atrae al cabello:El peine atrae al cabello:El peine atrae al cabello: atracción electr atracción electr atracción electr atracción electr atracción electr ostáticaostáticaostáticaostáticaostática

Jorge Mendoza Dueñas284 Ciencia y Tecnología284

Copiadora XerCopiadora XerCopiadora XerCopiadora XerCopiadora Xer oooooxxxxx

Al colocar la “original”(papel con texto o di-bujo, el cual se quie-re copiar) frente a laplaca recubierta, laluz pasa por la origi-nal y luego llega a di-cha placa; la zonadonde incide la luzse hará conductoray por tanto se des-cargará, mientrasque la zona dondeno llega la luz segui-rá cargada.

L u e g ode esto,la placaes baña-do porun polvon e g r o(toner) elcual sesen t i ráatraído por las cargas positivas y que-daran atrapados por ésta, formándo-se así la figura o texto deseado.

Finalmente se co-loca sobre la placaun papel el cual secargará positiva-mente por el ladoposterior; medianteun proceso de in-ducción electros-tática, el otro ladodel papel atraerá altoner de la placa y la figura o texto se traslada-rá a dicho papel; la imagen se fija al papel poracción del calor.

El principio está basadoen el uso de una placa otambor recubierta con unmaterial semiconductor yfotoconductor, es decircuando dicha placarecubierta es cargada electrostáticamente,en la oscuridad dichas cargas permanecenestáticas, ya que la placa se comporta comoun perfecto aislante.Cuando la luz ingresa e incide en la placa recubierta, ésta se convierte en material conducto-ra e inmediatamente empezarán a fluir las cargas hasta descargarse la zona en contacto conla luz.