Campos eléctricos y algunos experimentos.

1.- ¿Cómo se miden los campos eléctricos cercanos a la superficie de la Tierra? Cuando hay buen clima y cuando esta nublado el campo varía.

Antes de meternos a ciertas aplicaciones de los campos eléctricos, creo que es bueno definir qué es un campo eléctrico para que así podamos entender para qué sirven dichas aplicaciones.
Los campos eléctricos se producen por la existencia en el medio ambiente de cargas eléctricas, y determinan el movimiento de otras cargas eléctricas situadas dentro de su alcance. Cuando un objeto acumula carga eléctrica, ésta hace que otras cargas experimenten una repulsión o una atracción respectivamente, esto lo podemos comprobar muy fácilmente con cualquier objeto cargado. Recordemos que ya hemos estudiado cómo se puede cargar un objeto en relación al otro. La intensidad de estas fuerzas se denomina tensión eléctrica o voltaje, y se mide en voltios. Todo aparato conectado a una fuente eléctrica, aunque no esté prendido, está sometido a un campo eléctrico que es proporcional a la tensión de la fuente a la que está conectado. Los campos eléctricos son más intensos mientras más cerca están del aparato, y se debilitan con la distancia.
Una de las aplicaciones del campo eléctrico nos sirve para detectar qué intensidad tienen éstos en determinadas áreas del planeta y así prevenir problemas de salud a las personas que estén expuestas directamente a ellos. Hay una cantidad permisible de exposición a un campo eléctrico que oscila entre los 20 a 70 V/m, pero cuando esta cantidad es excedida, la persona expuesta puede experimentar lesiones de varios tipos, algunas de ellas, irreversibles.
Existen unos aparatos que nos ayudan a medir el campo eléctrico, está claro que no vamos a utilizar nuestras fórmulas de clase para medir el campo eléctrico en el mundo real, pero claro que sirve de base fundamental para la creación de la tecnología capaz de medir los campos. Estos aparatos reciben el nombre de molinos de campo eléctrico, y precisamente funcionan como molinos, tienen aspas que transmiten una fuerza e información a una computadora y luego ésta analiza los datos, evalúa condiciones y arroja valores aproximados de las variaciones del campo eléctrico detectado.
El estado del tiempo es un factor sumamente influyente en la intensidad del campo eléctrico, cuando hay buen tiempo el campo eléctrico registrado por estas máquinas normalmente se encuentra entre 20 y 100 V/m, pero en condiciones de tormenta y mal tiempo dicho campo puede dispararse hasta los 8 ó 10 Kv/m

2.- El experimento de la cubeta de hielo de Faraday

Este experimento realizado por Faraday tiene mucho con qué ver con el tema visto anteriormente de los tipos de redistribución de cargas, este procedimiento alude a la transferencia de carga de un conductor a otro por contacto.
Este tipo de redistribución fue estudiado por dicho físico utilizando como conductor un recipiente metálico hueco (de ahí el nombre de cubeta), donde guardaba el hielo que utilizaba en el laboratorio.
Introdujo una esfera cargada previamente al recipiente descargado, al momento de entrar la esfera al cubo, éste, se carga con una carga contraria a la de la esfera y la parte externa del cubo queda cargada con la misma carga que la esfera, esto nos demuestra que el cubo, por dentro atrae a la esfera cargada formando un campo eléctrico de atracción.
Un electroscopio conectado a la parte exterior de la cubeta mostraría la presencia de cargas mediante la desviación de su aguja.

3.- El experimento de la gota de aceite de Milikan

Robert Milikan fue el físico que descubrió la carga eléctrica del electrón mediante este experimento. Gracias a su aportación muchos avances en la tecnología se han podido desarrollar y claro, también es cierto que nos complicó un poco la existencia a los estudiantes de electricidad… bueno, expliquemos el experimento:
El físico colocó dos barras cargadas eléctricamente, alimentadas de una fuente de poder, es decir, existía una diferencia de potencial que hacía que se cree un campo eléctrico. Ya conectado el aparato, introdujo en el medio, en manera de spray, unas gotitas de aceite viniendo de un atomizador que caían por la fuerza de la gravedad existente. Lo interesante de este experimento es que, manipulando el campo eléctrico y volviéndolo vertical, y, logrando que la placa quedara cargada negativamente se lograba mantener las gotas de aceite suspendidas en el espacio sin que éstas tengan una caída abrupta al fondo del recipiente. Esto nos indica que las cargas eran negativas y al chocar o acercarse a otro cuerpo negativamente cargado, éstas tenían un efecto de repulsión y suspensión.
Y así, conociendo el valor de la masa de la gota, la intensidad del campo eléctrico y el valor de la gravedad, se pudo calcular el valor de la carga de la gota. Al repetir varias ocasiones el experimento, Milikan se dio cuenta de que las cargas obtenidas eran siempre múltiplos de una carga subatómica elemental, la del electrón, y fue así como logró establecer la carga del electrón, que hasta hoy, permanece constante e invariable.

4.- ¿Cómo funcionan las fotocopiadoras?

Creo que una de las actividades que más realiza uno como estudiante es la de sacar copias a libros, documentos, apuntes…entre otras guías de estudio. Pero realmente, al menos yo, nunca me había puesto a investigar sobre el funcionamiento de las fotocopiadoras, simplemente hacía la pregunta que normalmente hacemos, ¿cuánto va a ser? Pues he aquí que explicamos de manera corta, pero precisa, el funcionamiento de estas máquinas que nos son de gran ayuda y se han vuelto indispensables para el beneficio de muchos estudiantes.

Las fotocopiadoras modernas no utilizan tinta y su funcionamiento se basa en el aprovechamiento de la electricidad estática, algo muy interesante sin duda alguna.
Quedé fascinado cuando investigué un poco sobre su funcionamiento.

Primero, el rodillo de la copiadora se carga con electricidad estática al girar velozmente frente a un productor de alto voltaje
Luego, las partes negras de la imagen original no reflejan luz, por lo que la carga positiva permanece en el rodillo, las partes electrizadas atraen al “toner” que se adhiere a ellas y reproduce las zonas negras del original
El papel de la copia corre por otro rodillo y se calienta para que se funda el polvo del “toner” y quede perfectamente adherido al papel.

Intentaré explicar de manera más sencilla este proceso con otro ejemplo que se me ocurre:
Supongamos que tenemos una esfera de imán con carga positiva (viene siendo el rodillo), y dejamos caer sobre ella trocitos de imanes, unos positivos y otros negativos, suena obvio el decir que únicamente los negativos permanecerán en la esfera y los positivos pasarán de largo.
Pues precisamente pasa algo similar, las partes negras del formato original, al no reflejar la luz, quedan cargadas electrostáticamente (pueden ser los imanes negativos) y son llenadas por el polvo que se utiliza y las partes blancas, al dejar pasar la luz, permanecen descargadas.


"Las puertas de la sabiduría nunca están cerradas."
Benjamín Franklin.

La electricidad. (1a parte)

1.- ¿Qué es la electricidad?

Aclararé de una vez que la electricidad no es lo mismo que la corriente eléctrica, ésta, es una idea que nos han intentado vender desde que empezamos a relacionarnos en el tema, y, precisamente se puede tornar a confusión.
Es por eso que comenzaré con definir conceptual y claramente qué es la electricidad y la corriente eléctrica:

La electricidad es un fenómeno físico que se da por la interacción de las cargas eléctricas, ya sea estáticas o en movimiento.

La corriente eléctrica es el flujo de electrones a través de un conductor. (Esta definición me la sé como me sé mi nombre)

Está claro que no basta con estas definiciones tan cerradas y concisas de los dos conceptos, pero vale la pena entender la diferencia entre ellos para así no hablar de uno como si fuera el otro.
Siendo honesto conmigo mismo, no puedo vivir sin la electricidad, es un hecho, todo lo que hago en el día requiere de ella. Incluso el escribir este breve comentario necesita de la corriente eléctrica. Estoy seguro que conozco muy poco de la materia pero para eso se investiga, se aprende, se comenta y se experimenta.

2.- Las cargas eléctricas y experimentos que se desarrollaron para demostrar su existencia.

Antes de hablar de las cargas, hay qué recordar que la materia está formada por partículas subatómicas, y éstas son 3: electrón, protón y neutrón.
Sabemos que hay dos tipos de cargas eléctricas, una negativa (el electrón) y la otra positiva (el protón) y existe una tercera pero ésta es neutra (el neutrón).
No estamos hablando de que el electrón es el malo y el protón es el bueno, o que por naturaleza uno sea negativo y otro sea positivo, simplemente se les dio esa denominación debido al fenómeno de atracción que ocurre cuando se juntan dos materiales cargados eléctricamente. Un cuerpo cargado negativamente se atrae a otro cargado positivamente (imanes).

Protón: de éste podemos decir que es la partícula subatómica positiva, con una carga eléctrica de 1,602 x 10–19 C y que en un átomo se encuentra en el núcleo junto a los neutrones.
Se le atribuye el descubrimiento a Ernest Rutherford.
Electrón: de éste podemos decir que es la partícula subatómica negativa, con una carga eléctrica de −1,6 × 10−19 C y que en un átomo se encuentra fuera del núcleo, girando alrededor de él.
Se le atribuye el descubrimiento a Joseph John Thomson.

Neutrón: es la partícula subatómica neutra, forma parte del núcleo junto con los protones.
Se le atribuye el descubrimiento a James Chadwick
…

Recuerdo que en la primaria no faltaba la práctica de laboratorio para demostrar la existencia de la electricidad, que consistía en frotar un globo con alguna tela durante un momento e inmediatamente pasar el globo por encima de unos papelitos y ver cómo éstos eran atraidos a él por alguna misteriosa fuerza. Ese fue mi primer contacto con la electricidad (o al menos algo parecido a ella), no sin antes meter mi dedo entre un entre la clavija y el enchufe y recibir un fuerte y sacudido saludo de la electricidad. –no me cayó nada bien al principio-

3.- Tipos de redistribución de cargas eléctricas

Existen seis tipos de redistribución de cargas, éstos son:

a) Frotamiento: Al frotar 2 cuerpos neutros eléctricamente, ambos se cargarán. Por ejemplo, una varilla de vidrio con un pañuelo de seda, la varilla cede electrones y queda cargada positivamente, mientras que el pañuelo los adquiere y queda cargado negativamente.
Al frotar la varilla de plástico con el paño de lana, la primera adquiere carga negativa, mientras que el segundo adquiere carga positiva.

b) Inducción: Éste se da cuando se pone en contacto un cuerpo cargado eléctricamente con otro neutro, el primero atrae al segundo provocando que aparezcan cargas eléctricas positivas y negativas en el cuerpo inicialmente neutro.
Cuando acercamos la varilla de vidrio electrizada a la bola neutra, se produce una redistribución de las cargas eléctricas en esta última. La carga neta de la bola no varía, pero la mayor proximidad de las cargas negativas a la varilla hace que la bola sea atraída.

c) Contacto: Un cuerpo puede cargar a otro con tener un contacto rápido con otro eléctricamente cargado. El detalle es que los dos quedarán con la misma carga, si uno tenía carga negativa, entonces también el otro quedará negativamente cargado.
Al establecer el contacto entre la varilla electrizada y la bola del péndulo, parte de la carga de la primera pasa a la segunda y ambos cuerpos quedan cargados con cargas eléctricas del mismo signo, por lo que se repelen.

d) Efecto fotoeléctrico: Consiste en la emisión de electrones por un material cuando se le ilumina con radiación electromagnética ya sea luz visible o ultravioleta. Externamente se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie

e) Electrólisis: Si mezclamos dos compuestos inorgánicos y los fundimos, éstos se ionizan. Si se colocan dos electrodos en una solución de un electrolito hay un paso de corriente, pues los iones se vuelven átomos (eléctricamente cargados, puesto que poseen electrones y protones).

f) Termoeléctrico: Este efecto provoca la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes.

4.- La ley de Coulomb

Charles Augustin de Coulomb fue un físico francés que entre otras aportaciones, destaca de manera histórica el descubrimiento de la fuerza de atracción entre dos partículas cargadas, dicha ley lleva su nombre en su honor. También en el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica se llama coulombio.

No tiene caso escribir la biografía del Ingeniero Coulomb, puesto que no hay mucho de qué analizar ahí. Es por eso que nos enfocaremos principalmente a su ley. (Ley de Coulomb)

Esta dice literalmente:"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."

La mayoría de las veces, trato de analizar los postulados de las teorías que voy estudiando y aprendiendo a lo largo de mi vida de estudiante y no logro entender en qué estaba pensando el genio (loco talvez...en su época) que descubre los fenómenos y los plasma en una hoja con lápiz a la mano, pero está claro que gracias a esos genios es que hoy cubrimos gran parte de las comodidades y "necesidades" que tenemos como seres humanos.

Su ley la demostró usando una balanza de torsión, que él mismo inventó, identificando cómo varía la fuerza eléctrica en función de la magnitud de las cargas y de la distancia entre ellas

Es decir, la fuerza se va a duplicar si una de las dos cargas se duplica, se va a multiplicar por cinco si una de las cargas se multiplica por cinco y así sucesivamente es por eso que obtuvo la siguiente ecuación:

Donde q1 y q2 son las cargas puntuales, k es la constante (9x109Nm2/C2) y r será igual a la distancia en metros entre las dos cargas.

Dicha constante (K) se tiene considerada cuando las cargas están en el vacío, pero hay otros medios donde la constante cambia, tales materiales serían: el mármol, ebonita, parafina entre otros. Siempre que no se nos especifique en qué medio se encuentran las cargas, se procederá a utilizar la constante (K).


También existe otra ley, que habla de las mismas cargas pero no es extraída de la Ley de Coulomb, que recibe el nombre de Principio de Superposición que dice:

“La fuerza total ejercida sobre una carga eléctrica q por un conjunto de cargas q1, q2, q3…etc. será igual a la suma vectorial de cada una de las fuerzas ejercidas por cada carga sobre la carga”

En clase he aprendido, que la Ley de Coulomb y el Principio de Superposición se pueden efectuar como un cálculo vectorial, pues que son fuerzas de atracción y la fuerza es una cantidad vectorial, ésta, posee dirección y sentido. Así, es que se puede resolver un problema utilizando los principios de los vectores (vector unitario, ejes etc.).

5.- Principales contribuyentes al estudio de la electricidad

Los primeros estudios acerca de la electricidad datan de hace ya mucho tiempo, aproximadamente en el año 600 a.C. cuando Tales de Mileto descubrió que al frotar el ámbar con alguna superficie, podía atraer algunos objetos.

Desde esas remotas épocas, se mantuvo en misterio el fenómeno eléctrico hasta el año de 1600 cuando William Gilbert publicó investigaciones donde denominaba eléctrico a la fuerza que ejercen las sustancias después de ser frotadas que se tuvo un estudio formal.

Otro científico, Otto Von Guericke describió la primera máquina para producir electricidad y el primer condensador. Pieter Van Musschenbroek desarrolló la botella de Leyden en 1745.

Benjamín Franklin demostró que el relámpago es de la misma naturaleza que la de la corriente eléctrica.

Uno de los pilares de la electrostática moderna es Michael Faraday, en 1831, descubrió que se generaba una corriente eléctrica en un conductor que se exponía a un campo magnético variable.
Alessandro Volta descubrió que las reacciones químicas pueden producir cargas negativas y positivas, principio que uso para inventar la celda voltaica.

Otro grande de la investigación eléctrica es Georg Simon Ohm, en 1827, dio una relación que liga la tensión entre dos puntos de un circuito y la intensidad de corriente que pasa por él (ésta relación lleva su nombre, Ley de Ohm), definiendo la resistencia eléctrica.
El físico alemán Gustav Kirchoff ideo las Leyes que llevan su apellido con respecto a la distribución de corriente eléctrica en un circuito eléctrico con derivaciones.

James Prescott Joule desarrollo la ley que determina la cantidad de calor generado por el paso de una corriente eléctrica. Thomas Alba Edison construyó la primera lámpara incandescente. Heinrich Hertz demostró que la electricidad puede transmitirse en forma de ondas electromagnéticas lo que posibilito la invención del telégrafo sin cable y la radio.

Joseph Joe Thomson descubrió el electrón y en 1906 Robert Andrews Milikan mediante su experimento de la gota de aceite determinó la carga del electrón.
…
Al investigar tan siquiera un poco acerca de los descubrimientos, avances y aplicaciones de la electricidad, me asusto un poco de pensar qué falta por descubrir, veo a mi alrededor y digo, es imposible que falte algo, pero, como vemos día a día, el ser humano se sorprende a sí mismo creando e innovando cada vez más.
La electricidad es una fuente de energía indispensable para el mundo, es por eso que hoy en día, el hombre destina mucho tiempo y estudio para lograr obtenerla con un menor costo y en mayor cantidad.