Fuerza y campos eléctricos

Conocimiento previo

Para realizar este proyecto se requiere conocimiento previo de los siguientes temas, si aun no has trabajado con lo que se menciona en la siguiente tabla, allí están los links a los post para que puedas dar un repaso adicional o puedas recordar el conocimiento necesario para poder realizar este proyecto.

Fuerzas y campos eléctricos

Los átomos como fuente de carga

Un átomo esta constituido por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual se encuentran partículas cargadas negativamente llamadas electrones[1]. Esto se muestra esquemáticamente para un átomo de carbono en la siguiente imagen. Recuérdese que todos los átomos son eléctricamente neutros; es decir, la cantidad de carga positiva en el núcleo es igual a la carga total de electrones al rededor de él. En el caso del átomo de carbón, si $-e$ es la carga de cada electrón, la carga en el núcleo sera $+6e$.

Se sabe que el universo como un todo es aproximadamente, si no por completo, desde el punto de vista eléctrico, neutro. La tierra posee muy pocas, si no es que nada cargas en exceso positivas o negativas. Para casi todos los propósitos prácticos se considera que la tierra tiene una carga neta cero. La mayor parte de las cargas sobre y en la tierra se encuentran contenidas en los átomos. Donde hay cargas positivas y negativas, generalmente se supone que provienen de un átomo.

En realidad no es difícil quitar un electrón de un átomo bajo ciertas condiciones, por ejemplo una barra de ebonita (hule duro) se frota contra la piel de un animal, algunos de los electrones de los átomos de la piel pasan a la barra de ebonita. En consecuencia la barra de ebonita adquiere un exceso neto de electrones. Cuando la barra toca un objeto metálico, algunos de los electrones en exceso se transfieren al metal como se muestra en la siguiente imagen.

Analíticamente, si una barra de vidrio se frota con seda, algunos de los electrones abandonarán los átomos del vidrio y dan a lugar a un exceso de electrones en la seda. Naturalmente la barra de vidrio queda con un exceso de cargas positivas. Si después la barra de vidrio se pone en contacto con una esfera metálica neutra, los electrones dejaran algunos átomos de la esfera metálica y remplazaran los electrones perdidos por los átomos de vidrio. En consecuencia la esfera adquiere una carga positiva. Muchos otros materiales dan lugar a una separación de carga cuando se frotan entre si.

Fuerzas entre cargas

Ahora como ya se sabe conseguir cuerpos cargados, se pueden examinar las fuerzas entre cargas. Una de las formas mas sencillas de hacerlo es usar pelotas ligeras metalizadas, llamadas esferas de médula, las cuales pueden cargarse al tocarlas con una barra de vidrio o de ebonita. Si las esferas se suspenden mediante hilos, pueden efectuarse 4 experimentos interesantes. Estos se ilustran en la siguiente imagen:

De los resultados experimentales mostrados en la figura anterior puede concluirse lo siguiente:

1. Las cargas iguales se repelen entre si; es decir, dos cargas positivas se repelen entre si y también dos cargas negativas.
2. Las cargas diferentes se atraen entre si; cargas positivas atraen cargas negativas y viceversa.
3. La magnitud de las fuerzas eléctricas entre dos cuerpos cargados excede generalmente la atracción gravitacional entre los cuerpos. Como se muestra en los experimentos ilustrados.

Aisladores y conductores

Aunque los materiales están constituidos de átomos y aun cuando todos los átomos están constituidos de electrones y núcleos, se sabe que las propiedades eléctricas de las sustancias varían mucho. Hay dos grupos básicos en los cuales todas las sustancias pueden clasificarse según sus propiedades eléctricas; en conductores y no conductores o aisladores. Entre esos dos grupos se encuentran los semiconductores, en algunas ocasiones se clasifican con grupos separados.

En los aisladores, los electrones de cualquier átomo dado se encuentran fuertemente ligados al átomo y no pueden moverse a través del material. Por tanto, incluso si un exceso de carga se coloca próximo al extremo de una barra hecha con un aislador, los electrones en los átomos adyacentes no pueden moverse bajo la atracción o repulsión de la carga en exceso cercana. Éstos se encuentran firmemente ligados a sus átomos y no es fácil liberarlos, y no hay un movimiento grande de la carga en la barra.

Los conductores se comportan de modo muy diferente; en estas sustancias los electrones más alejados del núcleo, llamados electrones de valencia, se encuentran tan cerca de sus átomos vecinos que es difícil decidir precisamente qué electrón pertenece a qué átomo. Bajo estas condiciones, los electrones de valencia en los átomos se mueven a lo largo de todo el metal, para algunos propósitos al menos, y pueden pensarse como un gas de electrones contenido dentro del trozo de metal. Aun en los metales, la mayor parte de los electrones se encuentran fuertemente ligados al átomo, y sólo los electrones más externos del átomo se mueven libremente a través del sólido. En general, uno, dos o tres electrones de valencia están asociados con cada átomo.

Carga por conducción y por inducción

Hay dos formas típicas de colocar cargas en un objeto metálico utilizando un segundo objeto previamente cargado. Como ejemplo concreto, considérense las formas con las cuales puede cargarse una esfera metálica a través de una barra de ebonita cargada negativamente. Un modo es tocar a la esfera con la barra; al contacto, algunas de las cargas negativas en exceso de la barra se moverán hacia la esfera. Este proceso, mostrado en la siguiente imagen se llama carga por conducción.

La misma barra puede emplearse de forma diferente para cargar la esfera. Esto se muestra en la imagen de carga por inducción. En el proceso de carga por inducción, la barra no toca a la esfera. Cuando se acerca la barra, algunos de los electrones del metal son repelidos hacia el extremo derecho de la esfera, dejando en el extremo izquierdo carga positiva. Puesto que no se ha añadido o retirado carga de la esfera, esta permanece neutra. Ahora supongamos que se toca la esfera con otro objeto por ejemplo con un dedo. En este caso, se dice que la esfera se puso a tierra y para indicar esto se utiliza el símbolo tierra. Las cargas negativas pueden alejarse aún más de la barra negativa si fluyen hacia el objeto en contacto con la esfera. Una vez que esto ha ocurrido, la esfera no seguirá siendo neutra, puesto que ha perdido algo de su carga negativa. Después de que se retira el objeto de la esfera, la barra negativa puede retirarse y la esfera tendrá una carga positiva.

Luego de comparar las imágenes de carga por indicación y conducción, se ve que la barra de ebonita puede utilizarse para cargar a un objeto negativamente por conducción, y que puede cargar al mismo objeto positivamente por inducción. Resulta interesante hacer diagramas similares utilizando una barra de vidrio cargada positivamente. En este caso el signo de las cargas se invierte.

Referencias

[1] Fundamentos de fisica 2 McGRAW-HILL ISBN 0-07-008867-5, Consultado Septiembre 2019