electroestática. Los fenómenos eléctricos Historia del estudio de los fenómenos eléctricos El filósofo griego Tales de Mileto ya se dio cuenta en el siglo VI antes de Cristo de que el ámbar tenía unas propiedades muy curiosas. Tales vio que si rozaba un trozo de ámbar con piel, era capaz de atraer a pequeños objetos como plumas o trozos de paja. Como en griego ámbar se llama elektron, más tarde se bautizó a los fenómenos que experimentaba este material con el nombre de electricidad o fenómenos eléctricos. Pero no sólo el ámbar experimenta fenómenos eléctricos. Hay muchos otros materiales que lo hacen. Si cogemos dos bolígrafos de plástico y los frotamos con piel, podemos ver cómo se repelen el uno al otro. Si acercamos una barra de vidrio frotada con seda al bolígrafo que hemos frotado con piel, pasa una cosa muy distinta. Los dos objetos se atraen. La carga eléctrica Los materiales frotados, o se atraen o se repelen. Observando estos comportamientos, podemos pensar que únicamente hay dos tipos de electricidad. El científico americano del siglo XVIII, Benjamin Franklin, los llamó electricidad negativa y electricidad positiva. Para poder entender qué es la electricidad y los fenómenos que provoca, nos tenemos que reducir 10.000 millones de veces y hacer un viaje hasta la estructura fundamental de la materia. La parte más pequeña que conserva las propiedades de un elemento es el átomo. Todos los átomos están formados por tres tipos de partículas: protones y neutrones en el núcleo, y electrones en la envoltura. 1
Cuando se estudian con detalle estas partículas, se observa que tienen una serie de propiedades. La masa, que todos conocemos, es una de ellas. La carga eléctrica. Ésta es la propiedad más importante a la hora de entender los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica se mide con una unidad llamada culombio, en honor al científico francés Charles Coulomb. Las partículas pueden tener carga eléctrica positiva, negativa o no tener. Sólo dentro de un único átomo ya podemos encontrar ejemplos de cada uno de estos casos: Los neutrones no tienen carga Los protones tienen carga positiva Los electrones tienen carga negativa. A excepción del cambio de signo, la carga de un protón y de un electrón tiene el mismo valor. Transferencia de cargas Los objetos con carga eléctrica experimentan una fuerza a causa de la presencia de otras cargas. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las de signo diferente se atraen. Pero si, globalmente, la mayoría de objetos no tiene carga, cómo es posible que aparecen fuerzas eléctricas entre barras de plástico y vidrio cuando las frotamos con piel y seda? Cuando frotamos un trozo de plástico con piel, el plástico es capaz de arrancar algunos de los electrones más superficiales de los átomos de la piel. De esta manera, el plástico gana carga negativa, y la piel la pierde, con lo cual la piel queda cargada positivamente. Por eso, porque están cargados negativamente, dos pedazos de plástico frotados con piel se repelen. 2
Cuando frotamos una barra de vidrio con seda, lo que sucede es que la seda arranca electrones superficiales del vidrio. En este proceso, la seda se carga negativamente y el vidrio lo hace positivamente. Por esta razón, un trozo de plástico frotado con piel (cargado negativamente) y una barra de vidrio frotada con seda (cargada positivamente) se atraen. En todos estos procesos de frotación, no se ha generado carga eléctrica de la nada. Únicamente se ha transferido de un cuerpo a otro. Sólo se ha transferido carga negativa gracias a un traslado de electrones. Los electrones son las partículas más superficiales de los átomos y pueden pasar de un objeto a un otro. En cambio, los protones, cargados positivamente, no se pueden transferir de un objeto a otro, porque arrancar un protón de un núcleo atómico supone muchísima energía. Conservación de la carga eléctrica La carga no se puede crear ni destruir. Éste es un enunciado importante que se conoce como el principio de conservación de la carga eléctrica. Este principio también se puede enunciar diciendo que en un sistema aislado, la carga eléctrica total no varía. Importancia de los fenómenos eléctricos La fuerza eléctrica que experimentan los cuerpos cargados es responsable del hecho que el mundo sea como es y no de otra forma. Si no existiese esta fuerza, no se podrían formar los átomos, porque los electrones no se mantendrían alrededor del núcleo. La fuerza eléctrica es responsable, por ejemplo, de que el agua, el líquido esencial para la vida, sea líquida. Las moléculas de agua, formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, son globalmente neutras. Pero en su interior se produce una acumulación de cargas negativas en un extremo y de cargas positivas en el otro. 3
Eso hace que el extremo negativo de una molécula y el extremo positivo de otra se atraigan. De esta manera se produce un vínculo entre las moléculas de agua denominado puente de hidrógeno, que las mantiene unidas e impide que pasen a formar vapor espontáneamente. Que las sustancias sean líquidas, sólidas o gaseosas depende de cómo son las fuerzas eléctricas de su interior. Fuerzas parecidas a las que experimentan las moléculas de agua son las responsables del que los átomos se agrupen para formar moléculas, y éstas se agrupan para formar objetos más grandes. En última instancia, las propiedades que percibimos de los objetos que nos rodean (dureza, resistencia, capacidad de calentarse, etc.) son consecuencia de las fuerzas eléctricas entre las moléculas y átomos que los constituyen. La corriente eléctrica es la aplicación más importante de la electricidad. Se trata de electrones que se mueven gracias a una fuerza eléctrica. La energía de este movimiento se puede transformar en movimiento en los motores eléctricos, en luz a las bombillas, en sonido a los altavoces, etc. La corriente eléctrica no puede circular por cualquier material. Los materiales que permiten el paso de corriente eléctrica se denominan conductores, y tienen una estructura interna que permite la circulación de electrones. Los materiales que no permiten el paso de corriente eléctrica se denominan aislantes o dieléctricos. Su estructura interna no permite el paso de electrones. Los metales suelen ser buenos conductores, mientras que materiales como, por ejemplo, la madera, el vidrio, el plástico o el aire son aislantes. Fenómenos eléctricos cotidianos Descargas eléctricas No te ha pasado nunca corriente al cerrar la puerta de un coche, tocando a otra persona o el pomo metálico de una puerta? No se te ha erizado el pelo al acercarte un peine después de peinarte? Estos fenómenos suceden porque en algún momento ha habido un movimiento de cargas eléctricas que da lugar a fuerzas eléctricas. Y estas fuerzas hacen que, en ciertas condiciones, las cargas se muevan y se produzca lo que se conoce como una descarga. 4
En el caso del coche, a causa del roce con el aire se produce una transferencia de electrones que hace que la chapa del coche se cargue. Si hay humedad en el ambiente, el aire puede comportarse como conductor, la carga puede circular a través del aire, y el coche se descarga. En cambio, si el ambiente es seco, la carga no puede circular a través del aire ni tampoco a través de los neumáticos de goma, que son aislantes. En esta situación, el coche se va cargando. Al salir y tocarlo con la mano, como nuestro cuerpo es conductor, la carga circula a través nuestro hasta el suelo, y sentimos que nos pasa la corriente. En el caso del peine, sucede lo mismo que con la barra de plástico cuando se frotaba con piel. El plástico es capaz de arrancar electrones superficiales de los cabellos, de forma que el peine se carga negativamente y los cabellos lo hacen positivamente. Acercando nuevamente el peine al cabello, se produce una fuerza atractiva entre el peine (cargado negativamente) y los cabellos (cargados positivamente). Esta fuerza puede llegar a ser más grande que el peso de los cabellos y puede levantar unos cuántos. Rayos y relámpagos Una nube de tormenta se forma gracias a corrientes de aire ascendentes y descendentes que se producen como consecuencia de la diferencia de temperaturas entre diversas masas de aire. Estas corrientes arrastran gotas de agua y pequeños cristales de hielo que, al rozarse, adquieren carga eléctrica. Dentro de la nube, y gracias a las corrientes de aire, las partículas cargadas negativa y positivamente se distribuyen de manera que en la parte superior de la nube se acumulan las cargas positivas, y, en la parte inferior, las negativas. Una vez hecha esta distribución, las cargas negativas situadas en la parte baja de la nube producen una fuerza sobre las partes positivas de las moléculas que contiene el suelo. Entonces, estas moléculas se colocan de manera que sus parte positiva se concentra en la superficie del suelo. En esta situación, los electrones que han dado lugar a las cargas negativas de la nube notan una fuerza hacia abajo procedente de las cargas positivas del suelo. Sin embargo, como el aire es un material aislante, no pueden circular y llegar al suelo. 5
A medida que este proceso de acumulación de cargas aumenta, la fuerza que notan los electrones es cada vez más intensa, y llega un momento en que es tan fuerte que se produce una descarga repentina de electrones desde la nube hacia el suelo. Esta descarga es lo que se llama rayo. Los relámpagos se producen por la misma razón, pero se trata de descargas entre las diferentes partes de la nube. La luz que vemos cuando se produce un rayo se genera a causa de los choques de los electrones con las moléculas del aire. Estas moléculas absorben la energía de los electrones y la liberan en forma de luz. También como consecuencia de estos choques, las moléculas del aire se calientan muy rápidamente ( la temperatura puede alcanzar los 28.000 ºC!). Eso hace que la zona de aire cercana a la trayectoria del rayo se expanda bruscamente y provoque un movimiento de vaivén que se propaga en forma de onda sonora. El trueno no es nada más que la onda sonora generada en este proceso. Pararrayos Mientras realizaba sus experimentos eléctricos, Franklin se percató de que los objetos metálicos puntiagudos tienen la propiedad de acumular grandes densidades de carga eléctrica, precisamente gracias a su forma puntiaguda. Con el fin de proteger a las personas y los edificios, Franklin inventó el primer pararrayos. Este artefacto consistía en una vara metálica acabada en punta, conectada con el suelo a través de un material conductor. Gracias a la concentración de carga que se produce en la punta de la vara, se atrae a la descarga eléctrica procedente del rayo y se canaliza a través del conductor hasta el suelo, un lugar seguro. Actualmente se ha comprobado que este modelo de pararrayos no es eficaz en todos los casos, y ya se han desarrollado modelos más sofisticados y efectivos. 6
Ley de Coulomb Charles Coulomb y la balanza de torsión Charles Coulomb era un físico e ingeniero militar francés que hacía experimentos relacionados con la electricidad y el magnetismo, con el objetivo de mejorar las brújulas de los marineros. Coulomb decidió encontrar la manera de calcular la fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados. Para hacerlo, en 1777 inventó un mecanismo llamado balanza de torsión. Este mecanismo consiste en una barra horizontal que cuelga de un hilo que se puede torcer si la barra gira. Además de la balanza, los únicos elementos que Coulomb utilizó en su experimento fueron dos cuerpos esféricos cargados. Coulomb situó una esfera metálica cargada en un extremo de la barra y le acerco otra esfera con una carga conocida. A partir de ahí, fue variando la carga de esta última esfera y la distancia entre las dos esferas. Midiendo el ángulo que se desplazaba la barra, pudo calcular la fuerza que experimentaba la esfera. Entre muchos otros resultados, observó lo siguiente: Cuando una de las cargas se duplicaba, la fuerza también se duplicaba. Cuando la distancia entre las cargas se duplicaba o triplicaba, la fuerza disminuía en un factor 4 o 9, respectivamente. Ley de Coulomb Estos resultados indican que la fuerza eléctrica es directamente proporcional a cada una de las cargas en juego, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Coulomb expresó matemáticamente estos resultados en una ecuación: la conocida como ley de Coulomb. F es la fuerza con que se atraen o se repelen las cargas. Se expresa en newtons (N). K es la llamada constante de Coulomb. Su valor depende del medio donde estén situadas las cargas. En el vacío equivale a 9 10 9 Nm 2 /C 2. q 1 y q 2 son los valores de las cargas, expresados en culombios (C). r es la distancia que separa a las dos cargas, expresada en metros. 7 F = K q 1 q 2 r 2
Constante de Coulomb El valor de K (9 10 9 Nm 2 /C 2 ) es muy grande, hecho que puede hacer pensar que las fuerzas eléctricas entre cuerpos cargados (como las esferas del experimento de Coulomb) son muy grandes. Pero resulta que los valores de carga que alcanzan la mayoría de cuerpos son muy pequeños, suelen ser del orden de 10-9 C o inferiores. Piensa que los objetos se cargan mediante la transferencia de electrones, y los electrones tienen una carga muy pequeña (-1,6 10-19 C). Por lo tanto, aunque se transfieran miles de millones de electrones, las fuerzas con que nos encontramos son del orden de 10-6 N. Signo de la ley de Coulomb Si el signo de las dos cargas es el mismo (positivo o negativo), el resultado de la fuerza es un número positivo. En cambio, si las cargas son de signos diferentes, el valor de la fuerza es negativo. Por lo tanto, Fuerzas positivas (a causa de cargas del mismo signo) indican repulsión. Fuerzas negativas (a causa de cargas de signo diferente) indican atracción. Dirección y sentido de la fuerza eléctrica La fuerza es una magnitud vectorial. Por lo tanto, cuando nos referimos a una fuerza, en este caso la eléctrica, tenemos que especificar no sólo su valor, sino también su dirección y su sentido. Si no lo hacemos, no podremos saber qué efectos puede causar esta fuerza. Acción y reacción Según la tercera ley de Newton, la de acción y reacción, si un cuerpo hace una fuerza sobre otro cuerpo, éste último cuerpo también ejerce una fuerza sobre el primero, de la misma intensidad pero en sentido opuesto. Por lo tanto, con la ley de Coulomb podemos calcular la fuerza que la carga 1 hace sobre la carga 2, pero también la fuerza que la carga 2 hace sobre la carga 1, porque estas dos fuerzas son iguales. En este cálculo hay que tener en cuenta el cambio de sentido. 8
Campo eléctrico Una carga provoca una alteración en todo el espacio que la rodea. Si en este espacio se coloca otra carga, ésta nota los efectos de la alteración mediante una fuerza. Esta alteración creada por una carga eléctrica en todo el espacio es lo que se llama campo eléctrico. Una carga crea un campo eléctrico y es el campo el que hace fuerza sobre otras cargas. La teoría del campo eléctrico culminó en el 1873 gracias a la aportación del físico escocés James Maxwell. Definición El campo eléctrico se define precisamente como la fuerza que experimentaría una carga de 1 C, a causa de la presencia de la otra carga. E = K q r 2 Puesto que la fuerza varía en función de la distancia a la carga, el campo también lo hará. El campo eléctrico se representa con la letra E y se calcula de la siguiente manera: Donde K es la constante de Coulomb (9 10 9 Nm 2 /C 2 ), q es la carga que crea el campo expresada en culombios y r es la distancia en metros de esta carga respecto al punto donde se quiere calcular el campo. De la misma manera que la fuerza, el campo eléctrico es una magnitud vectorial y, por lo tanto, tiene un valor numérico, una dirección y un sentido en cada punto del espacio. 9
Fuerza de una carga en un campo eléctrico F = q E Donde q es la carga sobre la que se quiere calcular la fuerza, y E es el campo eléctrico en el punto en que se encuentra esta carga. Las cargas positivas reciben una fuerza en el mismo sentido que el campo, mientras que la fuerza sobre las cargas negativas es de sentido contrario al campo 10