Capítulo 07: Carga Eléctrica

Carga Eléctrica

Construcción de un péndulo electrostático

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Tomado de: http://www.tecnoedu.com/F1000/Pendulo.php

http://www.tecnoedu.com/F1000/ModuloIII.php

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Ver

http://www.phywe-es.com/1005/pid/1700/VARILLA-DE-AMBAR.htm

http://www.demetacrilato.com/tubos-de-metacrilato/

http://www.mwmaterialsworld.com/es/plastico/metacrilato-164298/barras-tubos.html

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Experimentos

Experimento 1: electrización y fuerza eléctrica. Electrización de una varilla de vidrio.

ScreenShot106 Experimento 2: electrización y fuerza eléctrica. Electrización de una varilla de ámbar.

ScreenShot107Conclusiones

  • Al frotar materiales como varilla de vidrio y varilla de ámbar se ELECTRIZAN (captan o ceden electrones) y adquieren una propiedad llamada ELECTRICIDAD (del griego electrón, que significa ámbar).

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  • La electricidad da lugar a una interacción o fuerza eléctrica.

Experimento 3: clases de electrización. Electrización sobre el vidrio

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Experimento 4: clases de electrización. Electrización sobre el ámbar

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Experimento 5: clases de electrización. Electrización positiva y negativa

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Conclusiones

  1. Aunque ambas varillas electrizadas (la de vidrio y la de ámbar) atraen la esfera de corcho, lo hacen debido a procesos físicos opuestos. Cuando ambas varillas actúan simultáneamente, sus acciones se contrarrestan produciendo un efecto menor o nulo. Por tanto, se concluye que hay dos estados o CLASES DE ELECTRIZACIÓN: una que se manifiesta sobre el vidrio, y otra que se manifiesta sobre el ámbar.
  2. A la clase o estado de electrización sobre el vidrio Benjamín Franklin lo llamó POSITIVO, y al estado de electrización sobre el ámbar lo llamó NEGATIVO. Usualmente se da el color ROJO al positivo y el color NEGRO al negativo.

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  1. Algunos materiales tienen mayor tendencia a ceder electrones, quedando cargados positivamente, como el vidrio.
  2. Otros materiales tienen tendencia a captar electrones, quedando cargados negativamente, como el ámbar o resina sólida.

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Hay dos CLASES DE INTERACCIONES O FUERZAS ELÉCTRICAS: de atracción y de repulsión.

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Experimento 6: Ley de las cargas. Dos cuerpos con electrización positiva

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Experimento 7: Ley de las cargas. Dos cuerpos con electrización negativa

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Ver https://www.youtube.com/watch?v=8_iDVxvBZoQ&list=PL1EE998CE5D35B3CE

Experimento 8: Ley de las cargas. Dos cuerpos con diferente clase de electrización

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Conclusiones

  1. Dos cuerpos con la MISMA CLASE DE ELECTRIZACIÓN (ambos positivos o ambos negativos) se REPELEN.
  2. Dos cuerpos con la DISTINTA CLASE DE ELECTRIZACIÓN (uno positivo y otro negativo) se ATRAEN.

Ley de las cargas

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Conceptos generales sobre electrostática

Campo Eléctrico

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida; dicha zona se llama campo eléctrico.

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Electricidad

Es un fenómeno físico debido a las cargas eléctricas, en reposo o en movimiento, y a las interacciones entre ellas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.

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El físico real británico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del término griego elektron (ámbar).

Electrización

Es el PASO DE ELECTRONES de un cuerpo a otro adquiriendo cada uno de ellos cargas eléctricas de distinto signo.

Formas de electrización

La electrización puede producirse por varios modos:

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Electrización por contacto

Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.

Electrización por frotamiento

En este modo electrostático las cargas y descargas entre materiales se producen por frotamiento de sus superficies, fenómeno éste conocido como efecto triboeléctrico, palabra que proviene del griego tribein, que significa frotar.

Cuando ambos cuerpos se frotan, sus niveles de energía tienden a igualarse, produciéndose un movimiento de electrones entre ambos dependiendo de la velocidad de separación de los cuerpos y de su conductividad, persistiendo en ellos una carga residual una vez separados. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

La electricidad estática en su mayoría es triboelectricidad, es decir, electricidad producida por contacto, roce, frotadura o fricción.

Electrización por inducción

Es el efecto de producir a distancia (sin contacto físico) una carga en un cuerpo. Un cuerpo electrizado (inductor) puede producir sobre otro cuerpo cercano (inducido) una carga, debido a la acción del campo eléctrico que parte del cuerpo electrizado.

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El cuerpo inductor da origen en el cuerpo inducido o influenciado a dos tipos de cargas eléctricas que son:

Carga retenida: carga que está bajo la influencia directa del inductor, y no tiene posibilidad de escapar. Es de polaridad o signo diferente a la carga del inductor.

Carga libre: carga que puede escapar de la influencia directa del inductor. Con polaridad o signo igual al del cuerpo inductor.

Electrización por inducción en un conductor

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Polarización en un aislador

Como los aisladores (que son no conductores) no poseen electrones libres no es posible la electrización por inducción electroestática. Sin embargo, cuando se acerca un cuerpo cargado a un aislador se produce un desplazamiento de los electrones muy pequeño haciendo que las moléculas de este cuerpo adquieran una “POLARIZACION”. No hay movimiento de cargas en distancias grandes como sucede cuando se desplazan en un conductor. El reordenamiento de las cargas en un aislador debido a la presencia de otro cuerpo cargado se denomina polarización.

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El cuerpo cargado positivamente induce un reordenamiento de los electrones en la esfera.

Carga eléctrica

La carga eléctrica se define como el estado de electrización de un cuerpo.

La carga eléctrica está asociada con las partículas atómicas electrón (negativa) y protón (positiva). Así, la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia.

Clases o tipos de carga eléctrica

Así como hay dos clases de electrización, hay dos clases de carga eléctrica: una carga positiva y una carga negativa.

Un cuerpo que presenta electrización positiva tiene carga eléctrica positiva (vidrio), y uno que tenga electrización negativa tiene una carga eléctrica negativa (ámbar).

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Carga eléctrica neta

La carga eléctrica neta de un cuerpo es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas.

Cuerpo eléctricamente neutro

Es un cuerpo que tiene cantidades iguales de electricidad positiva y negativa, es decir, tiene carga neta cero.

Ion

Es un cuerpo que tiene carga neta diferente de cero.

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Unidad de carga: Coulombio

Dos partículas idénticamente cargadas (ambas positivas o ambas negativas) cuya separación es de 1 metro en el espacio vacío y que se repelen una a la otra con una fuerza de 10-7 C2 newton, tienen cargas idénticas de más o menos 1 coulombio.

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Representación de las cargas

Para representar las cargas se usan las letras Q y q.

  • Q para constantes
  • q para cargas que varían con el tiempo

q (minúscula) se conoce como el valor instantáneo de carga y se realza esta dependencia del tiempo escribiendo:

  • q (t) representa una constante como un caso especial.

Esta misma convención se usará para todas las cantidades eléctricas.

  • Mayúsculas para constantes
  • Minúsculas para cantidades que varían en el tiempo.

Partículas y carga eléctrica

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El neutrón tiene un poco más de masa que el protón.

La masa de un protón es 1836 veces la masa de un electrón. Es decir, si un electrón pesara 1 kg entonces un protón pesa 1836 kg, casi dos toneladas.

En una MASA de electrones (o protones) se puede determinar el NÚMERO de electrones (o protones) hay en ella, y luego calcular que CARGA representa esta masa, así:

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Ejemplo 1

¿Qué carga representan diez millones de protones?

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Ejemplo 2

¿Qué carga representan 10-20 gramos de electrones?

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Ejemplo 3

¿Qué carga representan 107 electrones+3×106 protones+108neutrones?

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La electricidad estática y la ESD

Es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica o electrostática cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

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El fenómeno de influencia o inducción electrostática representa un gran problema para la ESD (descarga electrostática), pues puede ocurrir cuando un objeto cargado eléctricamente se pone cerca de un objeto conductor aislado de tierra, produciéndole zonas de cargas eléctricas distintas en su superficie, con zonas donde predomine la carga positiva y otras donde la predominante sea la carga negativa. A partir de esa situación la descarga puede ocurrir en el momento que se toque el conductor con un cuerpo conectado a tierra.

Varios son los parámetros que controlan el fenómeno de la influencia: resistencia de descarga, humedad del aire, afinidad electrónica, rugosidad de las superficies y velocidad de movimiento relativo entre las superficies.

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La secuencia triboeléctrica

Es una lista de materiales dispuestos en un orden determinado, de tal manera que en un extremo se encuentran los más positivos y en el otro los más negativos eléctricamente.

Frotando dos materiales de la secuencia (ej. cabello humano y PVC), el que esté en la posición más alta HACIA EL LADO POSITIVO (cabello) se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo HACIA EL LADO NEGATIVO (PVC) se carga negativamente.

Además cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización, mayor es la carga transferida.

Esta tabla da alguna idea pero no siempre es cierta, puesto que depende del estado de las superficies que se ponen en contacto, de la humedad, del frotamiento, y de otros factores.

Los materiales cerca entre sí en la serie pueden no intercambiar ninguna carga el uno con el otro. Esto depende más de la presencia del frotamiento, la presencia de contaminantes o de óxidos, tipo de material.

Los números a la izquierda solo dan la posición relativa de cada uno de los materiales en la tabla.

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Baya de sauco: la ligereza de la bola de saúco permite que ésta experimente un gran desplazamiento cuando sobre ella actúan fuerzas electrostáticas al acercársele un objeto cargado. Es un material aislante, pero la presencia de cierta cantidad de humedad (absorbida del aire) combinada con algunas sales propias de la madera del saúco le confieren una pequeña movilidad a la carga eléctrica; esto es lo que hace que la madera (o la semilla) del saúco sea particularmente adecuada para estas prácticas.

Videos recomendados

  1. Electricidad estática por fricción o frotamiento

http://www.youtube.com/watch?v=qQZjL3tQzyA

  1. Péndulo eléctrico

http://www.youtube.com/watchv=yYC83Oo2jtA&feature=related

  1. Historia de la electricidad

http://www.youtube.com/watch?v=ySYeSiAEpiY&feature=related

  1. Historia de la electricidad

http://www.youtube.com/watch?v=sa1bVYyJjFE&feature=related

  1. Péndulo electrostático

http://www.youtube.com/watch?v=oaZADiH_gRY&feature=related

Videos recomendados  de ESD

Palabras de búsqueda: ESD

  1. Ver video de accidente ocasionado por ESD en http://www.youtube.com/watch?v=CSBAkhAnnW4
  2. Ver video de electrostática divertida en Proyecto G http://www.youtube.com/watch?v=t_d2PLoOGcI
  3. Ver video ESD Protection – How To Create An Anti Static Environment http://www.youtube.com/watch?v=RbDwcGL3yAk
  4. Ver video ESD – Descarga Eletrostática – by Intel http://www.youtube.com/watch?v=bLSyoeo8XeQ
  5. Ver video ESD Courses: Static Discharge Damage – Are You Ready? http://www.youtube.com/watch?v=B91Wcd6I-3o&list=PLE4D0ADC39264219D

Lecturas recomendadas

  1. Carrera de latas recicladas: Haga una carrera utilizando la electricidad estática para mover los objetos. Vea más en:

http://www.familyscience.org/pdfs/Sample%20Activities/Charge%20It_Spanish.pdf

  1. Carga eléctrica

Esta lectura contiene conceptos con enlaces hacia otras páginas de interés. Vea más en:

http://fp.educarex.es/fp/pruebas_acceso/2011/modulo_IV/ciencias_de_la_naturaleza/4nat05.pdf

  1. Carga eléctrica

Con  ayuda  de  métodos  experimentales  sencillos,  observar  la  existencia  de  dos clases distintas de cargas eléctricas y algunas de sus propiedades.  Vea más en:

http://copernico.escuelaing.edu.co/ceciba/dep_cnaturales/upload/file/Laboratorios/FISE/Carga%20electrica.pdf

  1. Prevención de riesgos industriales por descargas electrostáticas.

En la industria se conoce con la abreviatura ESD a las descargas electrostáticas siendo éstas las siglas del término anglosajón “Electrostatic Discharge”, representantes del fenómeno que hace que circule una corriente eléctrica repentina y momentáneamente entre dos cuerpos de distinto potencial eléctrico. En general estas corrientes son indeseadas y causantes de posibles daños. Vea más en

http://www.tecnicaindustrial.es/TIAdmin/Numeros/65/59/a59.pdf

  1. El electroscopio

Prácticas muy detalladas de electrostática usando el electroscopio

http://www.monografias.com/trabajos-pdf4/electroscopio/electroscopio.pdf

  1. Ver POIROT equipos para estática ESD http://www.poirot.cl/sub_estatica.htm

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