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PUEDEN VARIAR EN SENTIDOFUERZAS QUE ELECTRICIDAD:

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Electricidad: Fuerzas que pueden variar en sentido

(Adaptado de: Serway, R., Física para Ciencias e Ingeniería, Volumen 2. Paraninfo, 2009; Tipler P. A., Mosca G. Física para la ciencia y la tecnología, Volumen 1. Reverte, 2005; Hewitt, P., Física Conceptual. Pearson Educación. 2007)

Una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza es la fuerza electromagnética. Buena parte de la materia se mantiene en el estado en que la conocemos gracias a la existencia de esta interacción, que, a diferencia del caso de la gravedad, no depende de la masa de los cuerpos, sino de uno de un concepto cuya explicación completa exige una complejidad que escapa al objetivo de este curso: la carga eléctrica.

Hay una parte de la fuerza que depende del estado de movimiento de las cargas, pero para iniciar este capítulo nos vamos a centrar en el caso de las cargas en condiciones estáticas.

Definiremos la carga eléctrica como un atributo de la materia, con una peculiaridad, posee signo. El signo lo determinan los componentes mismos de los átomos: las partículas que otorgan carga positiva son los protones (presentes principalmente en el núcleo de los átomos) y las partículas responsables de la carga negativa son los electrones.

Los átomos en su estado elemental se encuentran en estado de neutralidad de carga, esto es, el mismo número de protones que de electrones. Los átomos cuentan con un núcleo formado por protones y neutrones (estas últimas son partículas con carga nula), y una nube de electrones con capas definidas por su energía. El que un átomo (y los materiales formados por este) sea o no reactivo eléctricamente lo definen las capas electrónicas exteriores.

El signo es lo más importante en el caso de la fuerza electrostática (recordemos que hablamos de cargas estáticas), ya que la orientación de la fuerza depende de la relación entre cada par de cargas.

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De manera general se puede establecer que cargas de igual signo se repelen (positiva con positiva y negativa con negativa), y cargas de signo opuesto se atraen. Esta es una regla fundamental para todos los procesos de los que se hablará en este capítulo.

Esto aplica tanto para las partículas independientes que definen los signos de la carga (un electrón y un protón se sentirán atraídos), como para la siguiente etapa, los iones, o sencillamente átomos que no se encuentran en estado neutro de carga.

Es de notar que hemos utilizado la palabra transferir, y la razón es muy simple: la carga no se crea ni se destruye. Se aumenta o disminuye por transferencia hacia o desde el sistema. Para desprender un electrón de un átomo se requiere una cantidad de trabajo que varía entre una y otra sustancias.

Un ion positivo es un átomo con carga neta positiva, lo que se logra transfiriendo uno o más de sus electrones, y un ion negativo será el que obtuvo uno o más electrones adicionales, por lo que su carga neta es negativa. La siguiente etapa son moléculas y compuestos, los cuales pueden tener cargas netas, y podrán interactuar con otras moléculas y compuestos siguiendo la misma regla fundamental.

Un experimento clásico: Al frotar un peine plástico en el cabello, los electrones pasan del cabello al peine. La razón simplificada es que los electrones están sujetados menos firmemente al cabello que en el plástico. La situación ahora se describe como que el peine tiene un exceso de electrones, y se dice que tiene carga negativa o que está cargado negativamente.

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A la vez, el cabello tiene una deficiencia de electrones y se dice que tiene carga positiva, o que está cargado positivamente. Otro ejemplo consiste en frotar una varilla de vidrio o de plástico contra seda (o algún tejido suave): la varilla se cargará positivamente. La seda tiene más afinidad hacia los electrones que el vidrio o el plástico. En consecuencia, los electrones se desprenden de la varilla y pasan a la seda (Adaptado de Hewitt, 20017). ¿Qué ocurre después de frotar el peine contra el cabello y acercarlo de nuevo al propio cabello (sin tocarlo)?

Ya dijimos que el signo de la carga neta incide en la dirección de la fuerza electrostática. Evidentemente también influye la cantidad de carga. La relación general se conoce como la Ley de Coulomb, expresada en su forma más general como:

Donde d es la distancia entre las partículas (o cuerpos) cargadas, q₁ y q₂ representan la cantidad de carga de una y otra partícula, y k es una constante de proporcionalidad. Acá se puede observar que se cumple la regla de los signos. El estudiante puede comprobar lo que ocurre al combinar signos positivos y negativos para cada carga, y el resultado del signo de la fuerza. Una fuerza de signo negativo implica atracción.

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La unidad de la carga es el coulomb y su símbolo es C. Una carga de 1C es equivalente a la que tienen en conjunto 6,25 millones de billones de electrones (1C ~ 1018 electrones). El número parece enorme, pero sólo representa la carga que pasa por una bombilla eléctrica incandescente de 100 watts durante un poco más de 1 segundo.

Acá es posible introducir una primera versión del concepto de corriente eléctrica. En esta sección la vamos a utilizar como el flujo de cargas en movimiento. Comprender esto será importante para las definiciones que siguen.

Los átomos en los metales se caracterizan por tener uno o más electrones en su capa externa que no están anclados a núcleos de átomos determinados; eso los hace libres para desplazarse a través del material. Esta es la razón principal por la que los metales son excelentes conductores de corriente eléctrica (y de calor, una relación que ya definiremos en la Actividad Tres), y se resume en que cuenta con electrones “sueltos” o libres de moverse en el cúmulo de átomos que formarán un material metálico. Materiales como el caucho, el vidrio, otros plásticos y materiales cerámicos, los electrones están fuertemente enlazados con determinados átomos, y pertenecen a ellos.

Conducción y aislamiento eléctricos

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Se requiere demasiado trabajo para desenlazarlos, y no son libres de desplazarse y hacer que fluyan entre otros átomos del material. Esos materiales son malos conductores de la corriente eléctrica (y en analogía a lo dicho de los metales, deficientes conductores del calor), por eso se los clasifica como aislantes.

Para el estudiante en estos momentos puede ser clara la razón para que los cables de los aparatos eléctricos tengan un núcleo metálico, de materiales como cobre, y un recubrimiento de caucho.

Muchos elementos electrónicos hacen uso de materiales con características más complejas, al poseer características de conductores y aislantes, para activar una u otra característica según ciertas condiciones. Un ejemplo son los semiconductores, que son la base de los microcircuitos de los computadores, además de los sensores de las cámaras, y los emisores que conocemos como LED (acrónimo en inglés para Light-Emmiting Diode), entre otros.

La transferencia de electrones se puede lograr por mecanismos variados, desde contacto, frotamiento, o mecanismos sin contacto, un poco más complejos, que iremos mencionando a medida que introduzcamos nuevos conceptos en las secciones que siguen. En el ejercicio práctico planteado previamente se vio un caso de carga por fricción. Una vez un objeto se encuentra cargado, el simple contacto con otro que sea un buen conductor transferirá carga de uno al otro.

Un ejemplo típico es cuando nos “descargamos” por el contacto con otra persona, o al hacer contacto por ejemplo con un carro que ha estado parqueado al aire libre (el efecto es más notorio en ambientes secos).

Carga (Transferencia) por fricción, contacto e inducción

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Se realiza una transferencia de electrones a la otra persona o hacia el carro (ya veremos que en este último caso a veces no es necesario el contacto).

Ahora, si se acerca un objeto cargado a una superficie conductora, los electrones en la superficie del material pueden moverse, incluso sin necesidad de contacto físico. Este proceso es más fácil de explicar gráficamente.

Las dos esferas metálicas en (a) están en contacto inicialmente formando un solo conductor no cargado. Al acercar una barra cargada (en este caso positivamente), los electrones con movimiento libre de ambas esferas se sentirán atraídos por la varilla, de modo que las esferas quedan con cargas iguales pero opuestas en signo.En (b) las esferas son separadas, manteniendo cerca la varilla, con lo que las cargas negativas se mantienen en la esfera de la izquierda, y las cargas siguen siendo iguales y opuestas.Una vez se separa la barra, cuando las esferas están suficientemente separadas, la carga se distribuye uniformemente en cada esfera, como se ve en (c).

Funciona exactamente igual si el signo de la carga en la barra fuera negativo.

(Tomado de Tipler, Mosca; 2005).

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Un ejemplo de los efectos de la carga por inducción en dimensiones muy grandes se hace presente en los rayos en medio de una tormenta eléctrica. La carga negativa en la parte inferior de la nube induce una carga positiva en la superficie del suelo, y el rayo es una descarga eléctrica (con altísima energía) entre la nube y el suelo. Un elemento de seguridad para controlar la trayectoria de un rayo es, obviamente, el pararrayos. El éxito de un pararrayos está en su forma con punta afilada y que esté correctamente conectado con el suelo.

La punta del pararrayos atrae electrones del aire, evitando que sea menor la acumulación de carga positiva por inducción. Aún si la carga en la varilla no es suficiente, y el rayo cae, éste será atraído hacia el pararrayos (la carga pasa con mayor facilidad hacia las puntas metálicas) y llevado directamente al suelo, si la conexión con el suelo es correcta. Esto evita que se transfiera menor energía a otras partes del edificio donde está el pararrayos, lo que puede evitar incendios.

La inducción es un efecto que no se limita únicamente a los conductores. Los aislantes, a pesar de no tener cargas móviles, al ser sometidos a un proceso similar al de la barra y las esferas conductoras, se verán sometidos a una reorganización de sus átomos (o moléculas), en donde las cargas se mueven y hacen que las diferentes moléculas se orienten uniformemente en una u otra dirección (de acuerdo a la carga del inductor) manteniendo la neutralidad en la carga.

A este efecto se le conoce como polarización. Esto explica lo que pasa si el peine que cargamos frotando en la experiencia al inicio de la actividad se acerca a pequeños trozos de papel, éstos

se verán atraídos hacia el peine por la orientación de las cargas opuestas a la del peine. Una vez lo toquen, es posible que reciban carga de la misma del peine, y se sientan repelidos.

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Hasta el momento hemos visto fuerzas que actúan sin necesidad de contacto. Tanto la gravedad como la fuerza electrostática pueden estar actuando entre cuerpos que ni siquiera se tocan, e irá aumentando a medida que la distancia entre los dos objetos sea menor. El elemento “invisible” que realiza la interacción entre los cuerpos se ha denominado campo. El campo eléctrico tiene tanto magnitud (lo que determina su intensidad) como dirección, esto es, se representa como un vector en algún punto dado.

La magnitud del campo en cualquier punto se puede definir de manera simple como el valor de la fuerza por unidad de carga, esto es, si un cuerpo con carga q experimenta una fuerza F en algún punto del espacio, la intensidad del campo en ese punto es:

El campo se puede representar mediante vectores o líneas de fuerza. Para una carga negativa las líneas que representan el campo se representan hacia la carga (a). Las líneas de fuerza son una extensión de los vectores de campo, para indicar la dirección exclusiva de la fuerza por acumulación de los vectores en los múltiples puntos. Entre más cerca estén de la carga, mayor será la longitud del vector.

Una carga negativa en este campo sufrirá atracción, por lo que se desplazará a lo largo de la línea de fuerza hasta unirse con la carga negativa. De ser una carga negativa la que se pone en este campo, las líneas entre ellas tienen direcciones opuestas, y el efecto será el esperado: se repelerán.

¿Cómo será entonces la representación de los vectores y las líneas de fuerza para una carga positiva?

(Tomado de Hewitt, 2007)

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De manera general los campos estarán representados “fluyendo” de cargas positivas a negativas, y tendrán configuraciones que cambien según la geometría de los elementos cargados (ver recursos complementarios).

Un elemento muy importante para la protección de efectos de electricidad es el blindaje. El principio que lo permite es la posibilidad de confinar los campos eléctricos (algo que no se puede lograr con el campo gravitacional). Nuevamente estamos frente a un concepto bastante amplio y abstracto, el cual vamos a resumir nuevamente en una serie de afirmaciones fundamentales.

Pensemos en una caja metálica. Si las paredes de la caja (que son conductoras) no están sometidas a una corriente, el campo eléctrico en el interior de la caja será nulo, así haya campos externos. Los electrones en la superficie externa se van a distribuir sobre ésta debido a su repulsión mutua. Si se tratara de un cascarón esférico (metálico por supuesto), la distribución será uniforme. Si la forma es diferente, como en la caja, la distribución de cargas será tal que el campo al interior siga siendo nulo.

Esto se usa desde componentes electrónicos (la razón para usar cajas metálicas en muchos casos), cables, e incluso jaulas de protección para trabajos eléctricos de riesgo. En una tormenta eléctrica podemos estar a salvo si permanecemos dentro de un automóvil ¿por qué puede ser esto?

Distribuciones de carga para diferentes formas de superficies conductoras (Tomado de Hewitt, 2007)

Blindaje eléctrico

a) Líneas de fuerza para una carga positiva.

b) Una carga positiva y una negativa constituyen lo que se denomina un dipolo. c) Dos placas con carga opuesta generan un campo con orientación perpendicular a la superficie de las placas. (Tomado de Hewitt, 2007)

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Recordemos ahora los conceptos de trabajo y energía potencial de la Unidad Dos. La ubicación dentro del campo eléctrico de una carga define su energía potencial eléctrica. También hay una analogía entre el trabajo que se realiza para levantar un objeto en contra del campo gravitacional terrestre y el trabajo necesario para mover una partícula cargada en contra de un campo eléctrico.

En este caso será útil definir el concepto de Potencial eléctrico, que se referirá a la energía potencial eléctrica por unidad de carga. Esto es:

La unidad de medida de esta cantidad es el volt (V), y es la razón por la que al potencial se le llama voltaje. Un potencial de 1 volt equivale a 1 joule (J) de energía por 1 coulomb (C) de carga. Lo que hacen las baterías o fuentes de voltaje es ceder una cantidad de Joules (1,5 por ejemplo, en el caso de las baterías AA de 1,5 volts) por cada coulomb de carga que se hace pasar por dicha fuente.

Se puede tener un voltaje (potencial eléctrico) muy alto, pero si la carga estática asociada no es lo suficientemente grande, la energía potencial asociada no será muy alta, y se puede tener una descarga aparentemente grande, pero inofensiva. Se requieren muchos volts para ionizar el aire y producir una chispa, pero esa chispa puede llevar una carga muy pequeña (lo que ocurre cuando escuchamos e incluso vemos chispas al frotar un saco de lana), y puede ser molesto, pero no suficiente para sufrir una electrocución. Ya veremos más implicaciones con el caso de las cargas en movimiento.

Potencial eléctrico

Para finalizar esta sección, es necesario indicar que dada una diferencia de potencial (esto es, un voltaje) entre dos puntos, define la dirección en la que se moverán las cargas (y la orientación de los campos). Siempre se dará de mayor a menos potencial. Lo que mide un voltímetro es la diferencia de potencial entre dos puntos (es decir, 20 volts pueden medirse entre dos puntos a 20 y 0 volts o a 120 y 100 volts indistintamente).

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