Introducción a los conceptos de electricidad por Cantinflas

Carga eléctrica

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William Gilbert

(Colchester, Inglaterra, 1544 - Londres, 1603) Físico y médico inglés. Fue uno de los pioneros en el estudio experimental de los fenómenos magnéticos. Estudió medicina en la Universidad de Cambridge, viajó por Europa durante algunos años y en 1573 regresó definitivamente a Inglaterra, en cuya capital ejerció la medicina.

Pronto consiguió amplia fama como médico y como científico: en 1589 era uno de los comisarios encargados de la dirección de la Pharmacopeia Londinensis, obra que no vio la luz hasta 1618. En 1601 fue nombrado médico de la corte; a la muerte de la reina Isabel (marzo de 1603), su sucesor Jacobo I Estuardo le confirmó en el cargo. Ese mismo año fue nombrado miembro del Real Colegio de Médicos, pero Gilbert murió poco después. Fue sepultado en Colchester, donde se le erigió un monumento sepulcral.

Para la posteridad ha quedado sobre todo como un notable astrónomo y físico: fue uno de los primeros que aceptó en Inglaterra la teoría copernicana. Es notable su obra De mundo nostro sublunari philosophia nova, publicada después de su muerte por su hermano (Amsterdam, 1615). En ella, además de defender con vehemencia el sistema copernicano, aventuró como hipótesis que las estrellas fijas pueden encontrarse a diferentes distancias de la tierra, y no en una única esfera.

Pero su fama se apoya especialmente en sus estudios sobre el magnetismo contenidos en El imán y los cuerpos magnéticos (De magnete magneticisque corporibus). Esta obra, que Galileo calificó de fundamental, fue publicada en Londres en 1600 y debe considerarse como el primer tratado importante de física aparecido en Inglaterra. Gilbert compiló en ella sus investigaciones sobre cuerpos magnéticos y atracciones eléctricas.

Tales de Mileto

(Mileto, actual Turquía, 624 a.C.-?, 548 a.C.) Filosófo y matemático griego. En su juventud viajó a Egipto, donde aprendió geometría de los sacerdotes de Menfis, y astronomía, que posteriormente enseñaría con el nombre de astrosofía. Dirigió en Mileto una escuela de náutica, construyó un canal para desviar las aguas del Halis y dio acertados consejos políticos. Fue maestro de Pitágoras y Anaxímenes, y contemporáneo de Anaximandro.

Fue el primer filósofo griego que intentó dar una explicación física del Universo, que para él era un espacio racional pese a su aparente desorden. Sin embargo, no buscó un Creador en dicha racionalidad, pues para él todo nacía del agua, la cual era el elemento básico del que estaban hechas todas las cosas, pues se constituye en vapor, que es aire, nubes y éter; del agua se forman los cuerpos sólidos al condensarse, y la Tierra flota en ella. Tales se planteó la siguiente cuestión: si una sustancia puede transformarse en otra, como un trozo de mineral azulado lo hace en cobre rojo, ¿cuál es la naturaleza de la sustancia, piedra, cobre, ambas? ¿Cualquier sustancia puede transformarse en otra de forma que finalmente todas las sustancias sean aspectos diversos de una misma materia? Tales consideraba que esta última cuestión sería afirmativa, puesto que de ser así podría introducirse en el Universo un orden básico; quedaba determinar cuál era entonces esa materia o elemento básico.

Finalmente pensó que era el agua, pues es la que se encuentra en mayor cantidad, rodea la Tierra, impregna la atmósfera en forma de vapor, corre a través de los continentes y la vida no es posible sin ella. La Tierra, para él, era un disco plano cubierto por la semiesfera celeste flotando en un océano infinito. Esta tesis sobre la existencia de un elemento del cual estaban formadas todas las sustancias cobró gran aceptación entre filósofos posteriores, a pesar de que no todos ellos aceptaron que el agua fuera tal elemento. Lo importante de su tesis es la consideración de que todo ser proviene de un principio originario, sea el agua, sea cualquier otro. El hecho de buscarlo de una forma científica es lo que le hace ser considerado como el "padre de la filosofía".

Benjamín Franklin

(Boston, 1706 - Filadelfia, 1790) Político, científico e inventor estadounidense. Decimoquinto hermano de un total de diecisiete, Benjamin Franklin cursó únicamente estudios elementales, y éstos sólo hasta la edad de diez años. A los doce comenzó a trabajar como impresor en una empresa propiedad de uno de sus hermanos. Más tarde fundó el periódico La Gaceta de Pensilvania, que publicó entre los años 1728 y 1748. Publicó además el Almanaque del pobre Richard (1732-1757) y fue responsable de la emisión de papel moneda en las colonias británicas de América (1727).

El interés de Benjamin Franklin por los temas científicos comenzó a mediados de siglo y coincidió con el inicio de su actividad política, que se centró en diversos viajes a Londres, entre 1757 y 1775, con la misión de defender los intereses de Pensilvania. Participó de forma muy activa en el proceso que conduciría finalmente a la independencia de las colonias británicas de América, intervino en la redacción de la Declaración de Independencia (1776) junto a Jefferson y J. Adams, y se desplazó a Francia en busca de ayuda para proseguir la campaña contra las tropas británicas.

Finalizada la guerra, Benjamin Franklin fue partícipe en las conversaciones para concluir el tratado de paz que pondría fin al conflicto y contribuyó a la redacción de la Constitución estadounidense.

Por lo que respecta a su actividad científica, durante su estancia en Francia, en 1752, llevó a cabo el famoso experimento de la cometa que le permitió demostrar que las nubes están cargadas de electricidad y que, por lo tanto, los rayos son esencialmente descargas de tipo eléctrico.

Para la realización del experimento, no exento de riesgo, utilizó una cometa dotada de un alambre metálico unido a un hilo de seda que, de acuerdo con su suposición, debía cargarse con la electricidad captada por el alambre. Durante la tormenta, acercó la mano a una llave que pendía del hilo de seda, y observó que, lo mismo que en los experimentos con botellas de Leyden que había realizado con anterioridad, saltaban chispas, lo cual demostraba la presencia de electricidad.

Este descubrimiento le permitió inventar el pararrayos, cuya eficacia dio lugar a que ya en 1782, en la ciudad de Filadelfia, se hubiesen instalado 400 de estos ingenios. Sus trabajos acerca de la electricidad le llevaron a formular conceptos tales como el de la electricidad negativa y positiva, a partir de la observación del comportamiento de las varillas de ámbar, o el de conductor eléctrico, entre otros.

Charles Augustin Coulomb

Nació el 14 de junio de 1736 en Angulema, Francia.

La formación intelectual y el medio social de Coulomb fueron los habituales en muchos de los científicos franceses de su época. Nacido en una familia que gozaba de una buena posición económica, pero no perteneciente a la aristocracia, Charles Coulomb ingresó en 1758 en la Academia de Ingenieros Militares de Mézières. Tras licenciarse en 1761, compaginó sus deberes como ingeniero militar con sus investigaciones científicas no oficiales.

A diferencia de lo sucedido a otros colegas suyos, la Revolución Francesa no alteró excesivamente su trayectoria científica. De hecho, en 1801 fue nombrado presidente del Institut, el organismo que vino a sustituir a la antigua Académie. Sus estudios en mecánica fueron anteriores a los que realizó en física. En los primeros se ocupó de mecánica estructural, ruptura de vigas y pilares de mampostería, geomecánica, teoría de la fricción etc.

En general, sus memorias sobre estos temas fueron poco conocidas hasta que las utilizaron, entre otros, Riche de Prony (1755-1839) y Thomas Young (1773-1829) a principios del XIX. En un sentido amplio de la expresión, podemos decir que Coulomb articuló y extendió la teoría newtoniana de la fuerzas a la electricidad y el magnetismo, para lo cual era necesaria una cuantificación exacta de las leyes de atracción y repulsión. En una primera etapa, revestía especial importancia derribar la teoría cartesiana de los vórtices, que había cobrado renovadas fuerzas con Leonhard Euler, Daniel y Johann Bernoulli II y François Dutour, quienes defendían la existencia de vórtices magnéticos. Por su parte, Franz Aepinus, John Michell y el propio Coulomb basaron la explicación de los fenómenos eléctricos y magnéticos en el concepto newtoniano de la acción a distancia.

Coulomb murió el 23 de agosto de 1806 en París, Francia.

Ley de Coulomb

La Ley de Coulomb, que establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa.

Fue descubierta por Priestley en 1766, y re descubierta por Cavendish pocos años después, pero fue Coulomb en 1785 quien la sometió a ensayos experimentales directos.

Entendemos por carga puntual una carga eléctrica localizada en un punto geométrico del espacio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiando la interacción entre cuerpos cargados eléctrica mente cuyas dimensiones son muy pequeñas en comparación con la distancia que existen entre ellos.

La Ley de Coulomb dice que "la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario".

Es importante hacer notar en relación a la ley de Coulomb los siguientes puntos:

a) cuando hablamos de la fuerza entre cargas eléctricas estamos siempre suponiendo que éstas se encuentran en reposo (de ahí la denominación de Electrostática);

Nótese que la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial, posee magnitud, dirección  y sentido.

b) las fuerzas electrostáticas cumplen la tercera ley de Newton (ley de acción y reacción); es decir, las fuerzas que dos cargas eléctricas puntuales ejercen entre sí son iguales en módulo y dirección, pero de sentido contrario:

                                                Fq1 → q2 = −Fq2 → q1 ;

Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo.

En términos matemáticos, esta ley se refiere a la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia r y se expresa en forma de ecuación como:

k es una constante conocida como constante Coulomb y las barras denotan valor absoluto.

F es el vector Fuerza que sufren las cargas eléctricas. Puede ser de atracción o de repulsión, dependiendo del signo que aparezca (en función de que las cargas sean positivas o negativas).

• Si las cargas son de signo opuesto (+ y –), la fuerza "F" será negativa, lo que indica atracción
• Si las cargas son del mismo signo (– y –   ó   + y +), la fuerza "F" será positiva, lo que indica repulsión.

En el gráfico vemos que, independiente del signo que ellas posean,  las fuerzas se ejercen siempre en la misma dirección (paralela a la línea que representa r), tienen siempre igual módulo o valor (q1 x q2 = q2 x q1) y siempre se ejercen en sentido contrario entre ellas.

Recordemos que la unidad por carga eléctrica en el Sistema Internacional (SI) es el Coulomb.

c) hasta donde sabemos la ley de Coulomb es válida desde distancias de muchos kilómetros hasta distancias tan pequeñas como las existentes entre protones y electrones en un átomo.

Estructura de una Materia

En Física, la materia es aquello de lo que están hechos los objetos que constituyen el Universo observable y el no observable. Si bien durante un tiempo se consideraba que la materia tenía dos propiedades que juntas la caracterizan: que ocupa un lugar en el espacio y que tiene masa, en el contexto de la física moderna se entiende por materia cualquier campo, entidad o discontinuidad que se propaga a través del espacio-tiempo a una velocidad inferior a la de la velocidad de la luz y a la que se pueda asociar energía. Así todas las formas de materia tienen asociadas una cierta energía pero sólo algunas formas de materia tienen masa.

La materia másica se organiza jerárquica mente en varios niveles. El nivel más complejo es la agrupación en moléculas y éstas a su vez son agrupaciones de átomos. Los constituyentes de los átomos, que sería el siguiente nivel son:

• Electrones: partículas eptónicas con carga eléctrica negativa.
• Protones: partículas bariónicas con carga eléctrica positiva.
• Neutrones: partículas bariónicas sin carga eléctrica (pero con momento magnético).

A partir de aquí hay todo un conjunto de partículas subatómicas que acaban finalmente en los constituyentes últimos de la materia. Así por ejemplo virtualmente los bariones del núcleo (protones y neutrones) se mantienen unidos gracias a un campo escalar formado por piones piones (bosones de espín cero). E igualmente los protones y neutrones, sabemos que no son partículas elementales, sino que tienen constituyentes de menor nivel que llamamos quarks (que a su vez se mantienen unidos mediante el intercambio de gluones virtuales).

La materia másica se presenta en las condiciones imperantes en el sistema solar, en uno de cuatro estados de agregación molecular: sólido, líquido, gaseoso y plasma. De acuerdo con la teoría cinética molecular la materia se encuentra formada por moléculas y éstas se encuentran animadas de movimiento, el cual cambia constantemente de dirección y velocidad cuando chocan o bajo el influjo de otras interacciones físicas. 

Debido a este movimiento presentan energía cinética que tiende a separarlas, pero también tienen una energía potencial que tiende a juntar las  Por lo tanto el estado físico de una sustancia puede ser:

• Sólido: si la energía cinética es menor que la potencial.
• Líquido: si la energía cinética y potencial son aproximadamente iguales.
• Gaseoso: si la energía cinética es mayor que la potencial.

La manera más adecuada de definir materia es describiendo sus cualidades: a)Presenta dimensiones, es decir, ocupa un lugar en el espacio. b)Presenta inercia: la inercia se define como la resistencia que opone la materia a modificar su estado de reposo o movimiento. c)La materia es la causa de la gravedad o gravitación, que consiste en la atracción que actúa siempre entre objetos materiales aunque estén separados por grandes distancias.

La Ley de Gravedad Universal

La Ley de Gravitación Universal fue descubierta por Newton, cuando le cayó

una manzana en la cabeza mientras hacia una siesta debajo de un manzano.

Por este hecho Newton le pregunto al manzano “¿manzano, si la manzana cae,

quizá todos los cuerpos en el Universo se atraen entre sí de la misma forma

como la manzana fue atraída por la Tierra?”. Como el manzano nada le respondió,

Newton comenzó a trabajar sobre eso hasta que descubrió la Ley de

Gravitación Universal, que publicó en 1686 en sus Mathematical Principles

of Natural Philosophy. Se puede enunciar de la siguiente forma:

“Toda partícula material del universo atrae a cualquier otra partícula con

una fuerza directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente

proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”

Si las partículas que tienen masas m1 y m2 están separadas una distancia r medida

desde sus centros, como se ve en la figura , entonces, de acuerdo a la

ley de gravitación universal, la fuerza de atracción gravitacional FG ejercida

por la masa m1 sobre la masa m2 es:

ˆ

La Interacción Gravitatoria

La interacción gravitatoria es la interacción consecuencia del campo gravitatorio, esto es, de la deformación del espacio por la existencia de materia.

Su estudio comenzó con Newton, al proclamar su célebre ley de atracción universal, siendo en la actualidad desarrolladas ideas sobre la misma a partir de la relatividad general de Einstein

Desde el punto de vista clásico, la interacción gravitatoria, es la fuerza atractiva que sufren dos objetos con masa. Esta fuerza es proporcional al producto de las masas de cada uno, e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que los separa.

La constante de proporcionalidad es la constante de gravitacion universal, G:

G = 6.67 × 10-11 N · m2/kg2

Esta fuerza esta presente en nuestra experiencia cotidiana ya que es la que nos mantiene unidos a la Tierra. Como la masa del planeta es muchísimo más grande que la de cualquier objeto que podemos encontrar a nuestro alrededor y la distancia al centro de la tierra de cualquier objeto humano es esencialmente constante, la aceleración, g, que sufrimos por la interacción gravitatoria con la Tierra es siempre la misma, tomando un valor de: g = 9.8 m/s2

La interacción gravitatoria es la responsable de los movimientos a gran escala en todo el universo, ya que es la que hace que los planetas sigan órbitas predeterminadas alrededor del Sol. Isaac Newton fue la primer persona en darse cuenta que la fuerza que hace que las cosas caigan con aceleración constante en la Tierra y la fuerza que mantiene en movimiento los planetas y las estrellas era la misma, y a el le debemos la primer teoría general de la gravitación.

Formas de cargar un cuerpo

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. 

La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática.

Para explicar como se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número des cargas positivas y negativas. 

Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica.

Hay varias formas de electrizar un cuerpo, las principales son:

FROTAMIENTO 

Al frotar dos cuerpos uno con el otro, ambos se electrizan uno positiva y el otro negativamente, las cargas no se crean ni se destruyen, sino que solamente se trasladan de un cuerpo a otro o de un lugar a otro en el interior de un cuerpo dado.

El elemento mal conductor es el que adquiere carga positiva. Los elementos buenos conductores reciben con facilidad los electrones, por ello se cargan negativamente.

Creamos electricidad estática, cuando frotamos una lapicera con nuestra ropa y comprobamos la capacidad que tiene de atraer pequeños trozos de papel. Lo mismo suceder cuando frotamos vidrio con seda o ámbar con lana.

CONTACTO 

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positiva mente  todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

INDUCCIÓN

La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positiva mente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

Conductores Aislantes y Semiconductores

De acuerdo a su comportamiento eleléctrico, se pueden distinguir dos tipos de materiales:

• Conductores: son materiales que permiten el paso de electricidad (cargas) a través de ellos. Se caracterizan porque contienen cargas que pueden moverse libremente en el material (cargas libres). El ejemplo mas comun es el de los metales, en los que las cargas libres son los electrones de las capas mas externas de los átomos metalicos (electrones de valencia), también llamados electrones libres.

•  Aislantes: se trata de materiales no conductores, que no permiten el paso de la electricidad (cargas) a través de ellos. En un material aislante, las particulas cargadas (electrones y protones) que constituyen los átomos y moleculas del mismo no se pueden mover libremente. Los electrones y protones de los átomos de un material aislante se encuentran ligados a los átomos y moleculas del medio. Los aislantes reciben también el nombre de dileeléctricos.

• Semiconductores : es un elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores,como por ejemplo el campo eléctrico o magnético,la presión,la radiación que le incide,o la temperatura del ambiente.

Carga Eléctrica

Se definen la carga eleléctrica como la propiedad de la materia en virtud de la cual es

capaz de ejercer fuerzas de tipo eleléctrico. Se designa habitualmente por la letra q.

La carga eleléctrica constituye una medida de la intensidad de las fuerzas eleléctricas que un

cuerpo es capaz de ejercer. Tambiénen se suele decir que la carga eleléctrica constituye una

medida de la cantidad de electricidad de un cuerpo.

Propiedades:

Las cargas eleléctricas pueden ser positivas o negativas. Cargas del mismo signo se

repelen y cargas de signo contrario se atraen. La carga eleléctrica neta de un cuerpo

es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas; un cuerpo que tiene cantidades

iguales de electricidad positiva y negativa (carga neta cero) se dice que es

electricamente neutro.

Principio de consevacion de la carga: en todos los procesos que ocurren en un

sistema aislado, la carga total permanece constante.

Cuantizacion de la carga: la carga electrica no aparece en cualquier cantidad, sino
en multiplos enteros de una unidad fundamental o cuanto. La unidad fundamental
de carga es la carga electrica del electron.

Estructura atomica: las propiedades eleléctricas de los cuerpos se pueden entender de
forma simple teniendo en cuenta la estructura eleléctrica de los átomos que constituyen la
materia. Todo proceso de transferencia de carga se puede entender como un proceso de
transferencia de electrones entre los átomos de dos cuerpos.
Cuando se transfieren electrones por frotamiento, decimos que los cuerpos se cargan por
frotamiento (electrizacion por frotamiento), mientras que cuando los electrones se transfiereneren por contacto directo, decimos que los objetos se cargan por contacto (electrizacion por contacto).

La Electrostática

La Electrostatica se ocupa del estudio de las interacciones entre cargas eleléctricas en
reposo.

Las primeras experiencias relativas a los fenomenos eleléctricos se reeren a la observacion
de que cuando ciertos materiales se frotan unos contra otros, adquieren la propiedad
de atraer otros objetos (electrizacion por frotamiento). Se dice que dichos cuerpos han
adquirido una nueva propiedad, denominada electricidad, en virtud de la cual pueden
ejercer un nuevo tipo de fuerzas: las interacciones o fuerzas eleléctricas. Tambiénen se suele
de decir que dichos cuerpos han adquirido carga eleléctrica o se han cargado electricamente.

Experimentos simples permiten deducir las siguientes propiedades relativas a las interacciones el eléctricas:

(a) las interacciones eleléctricas son mucho mas intensas que las interacciones gravitatorias;

b) existen dos clases distintas de electricidad: electricidad positiva y electricidad negativa;

(c) las interacciones eleléctricas pueden ser atractivas o repulsivas: dos cuerpos en el mismo
estado de electrizacion se repelen y dos cuerpos en estados de electrizacion distintos
se atraen.