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El Dilema de la carga electrica Alisson Daniela Morales Ospina, Jhon Eduar Murcia Cruz, Natalia Bautista Salcedo 20152135014, 20161135010, 20161135038 Proyecto curricular de Licenciatura en F´ısica Universidad Distrital Francisco Jos´e de Caldas, Bogot´ a, Colombia RESUMEN En el siguiente articulo se presentar´ a diferentes definiciones, y experiencias cualitativas de carga el´ ectrica con el fin de tener mayor conocimiento de la conceptualizaci´ on te´ orica y empirica de la misma.Se hablar´ a tambien de las propiedades de los materiales en torno a la circulaci´ on de la carga. Palabras clave: Carga el´ ectrica, diferencia de potencial, inducci´ on el´ ectrica, propiedades de los materiales ABSTRACT In this article will present different definitions, and qualitative experiences of electric charge in order to have greater knowledge of the theoretical and empirical conceptualization of the same. We will also talk about the properties of the materials around the circulation of the charge. Keywords: Electric charge, potential difference, electric induction, material properties Received 27 de agosto del 2019

1.

´ INTRODUCCION

poseen una carga multiplo de algo conocido como ’carga base’ que es la carga del electron, bajo esta consideracion la carga de un objeto se puede escribir de la siguiente manera:

Desde la antiguedad un fenomeno peculear que se genera al frotar dos materiales, estos empiezan a repelerse o a atraerse. En los principios de la historia dichos fenomenos fueron justificados como magia o hechizeria, es mas aun existen personas que lo catalogan como truco. Dicha clasificaci´ on por lo general es aceptada ya que no hay un fundamento netamente matematico para explicarlo, de hecho la explicacion cientifica es bastante cualitativa, dejando asi al efecto de la carga de cuerpos en una balanza de la cual pende si puede considerarse netamente cientifico o simplemente un truco.

q = ne

Donde q es la carga del objeto, n el multiplo de carga y e la carga base o carga del electron. Existen diferentes maneras de cargar un objeto, aunque generalmente se piensa que solo ocurre por rozamiento, adelante se presentaran las diferentes maneras. 2.2.

2. 2.1.

CARGA ELECTRICA

Inducci´ on de carga electrica

Los objetos con carga neta igual a cero sufren un reordenamiento de cargas cuando se les acerca un objeto cargado , a este fenomeno se le conoce como inducci´on electrost´atica. [Ver figura 1]

Definici´ on

La carga es una propiedad y caracteristica intrinseca de las particulas que forman la materia. Generalmente dichas particulas se dividen en tres clases: protones, neutrones y electrones, los primeros con carga positiva, los segundos con carga neutra y al final los terceros con carga negativa. Por lo general a nivel macroscopico los objetos cargados ,

(1)

2.3.

Transferencia de carga electrica

Por otra parte, se produce una transferencia de carga a causa del contacto cuando se busca el equilibrio de electrones, otra manera de transferir ,

,

2

A.Morales, J.Murcia, N.Bautista

FIGURA 2. Conductividad y resistividad de algunos materiales

Materiales conductores: Este conjunto de materiales son los que se les puede proporcionar poca diferencia de potencial y aun asi permite el paso de corriente continua de electrones. Los mejores conductores son el Cobre, la Plata, el Oro y el Aluminio estos elementos se caracterizan por tener ´atomos con menos de tres electrones en la ´orbita de valencia.

FIGURA 1. Induccion electrost´ atica.Tomada de culturacientifica.com

carga , es por conducci´ on, esta se da cuando un objeto cargado traslada electrones a traves del conductor a un objeto descargado o con carga neutra, con la finalidad de lograr un equilibrio. 2.4.

Electrizaci´ on por fricci´ on

Dos objetos electricamente neutros se cargan a causa de frotaci´ on entre los mismos,esto resulta en la carga positiva de uno de los objetos,mientras que el otro lo hace negativamente. ´ FIGURA 3. Atomo de cobre

2.5.

Electrizaci´ on por contacto Para el transporte de energ´ıa el´ectrica, as´ı como para cualquier instalaci´on de uso dom´estico o industrial, el mejor conductor es el cobre (en forma de cables de uno o varios hilos). Aunque la plata es el mejor conductor, pero debido a su precio elevado no se usa con tanta frecuencia.

Cuando un cuerpo cargado entra en contacto con otro que no lo esta, el segundo cuerpo termina cargado con el mismo tipo de carga que el primero,es decir, si el uno es positivo el otro tambien lo ser´ a, de igual manera para cuando su carga es negativa. 2.6.

Propiedades de los materiales

Tambi´en se puede usar el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad el´ectrica del orden del 60 % de la del cobre, es sin embargo un material tres veces m´as ligero, por lo que su empleo est´a m´as indicado en l´ıneas a´ereas que en la transmisi´on de energ´ıa el´ectrica en las redes de alta tensi´on.

Los materiales el´ectricos est´ an asociados al conjunto de materiales que permiten la circulaci´on de eletr´ ones a trav´es de este. Comunmente se asocia que los materiales se pueden clasificar en estas condiciones (llamados materiales conductores) o si se resiste al paso de corriente (llamados materiales aislantes). En algunos casos existen materiales que cumplen con ser pocos circulantes de electrones y poco resistentes a esta condici´on llamados materiales semiconductores. Los factores que indican la condici´ on el´ectrica de un material est´ a directamente asociada a su resistividad, temperatura y cantidad de electrones.

,

Materiales aislantes o dielectricos: En los aislantes la capacidad para transportar energ´ıa es pr´acticamente nula. Entre los aislantes tenemos al F´osforo, Azufre y Cloro estos elementos se caracterizan por tener ´atomos con cinco o m´as electrones de valencia ligados fuertemente.Los materiales aislantes no ,

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El Dilema de la carga electrica conducen la corriente el´ectrica debido a que los electrones de valencia est´ an fuertemente ligados a los ´ atomos por esta raz´ on existen muy pocos electrones libres dentro de un aislante.

3

a la configuracion electr´onica externa no esta igualmente compartido por los dos atomos, teniendo en cuenta esto se puede decir que tanto los enlaces ionicos, como los enlaces covalentes pueden formar moleculas polares, un ejemplo de molecula polar es la molecula del agua (H2 O). 4.

´ DE CARGA MODELO DE MEDICION ELECTRICA

La carga el´ectrica es una propiedad f´ısica de algunas part´ıculas que se manifiesta mediante fuerzas de atracci´on y repulsi´on entre ellas. La materia cargada el´ectricamente es influida por los campos electromagn´eticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacci´on electromagn´etica entre carga y campo el´ectrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la f´ısica. Desde el punto de vista del modelo est´andar la carga el´ectrica es una medida de la capacidad que posee una part´ıcula para intercambiar fotones.

´ FIGURA 4. Atomo de un sulfuro

Material semiconductor Es un elemento que se comporta como un conductor o como un aislante dependiendo de diversos factores, como por ejemplo el campo el´ectrico o magn´etico, la presi´ on, la radiaci´ on que le incide, o la temperatura del ambiente en el que se encuentre.Cuando el flujo de carga es mucho mayor al diel´ectrico y mucho menor al de un conductor. Poseen cuatro electrones de valencia y sus propiedades se encuentran en un punto medio entre conductores y aislantes. Ejemplos de ´estos son el Silicio el Germanio y el Carb´on

´ FIGURA 6. Atracci´ on y repulsi´ on de objetos

Toda la materia, es decir, cualquier tipo de objeto, se compone de ´atomos y ´estos de part´ıculas elementales como los electrones, protones y neutrones. los electrones y los protones tienen una propiedad llamada carga electrica. El amperio (A), es la unidad de corriente el´ectrica; su magnitud se define fijando el valor num´erico de la carga elemental igual exactamente a 1.60217 x 10 a la menos 19 cuando es expresado en la unidad segundo x amperio, que es igual a culombio.

´ FIGURA 5. Atomo del germanio

3.

MOLECULAS POLARES

En la naturaleza los ´ atomos pueden formar diferentes tipos de enlaces, cuando los ´ atomos poseen grandes diferencias de electronegatividad se forman mol´eculas polares. Dicha mol´ecula polar posee igual cantidad de part´ıculas positivas y negativas raz´ on por la cual son consideradas el´ectricamente neutras, sin embargo, cabe aclarar que no existe simetr´ıa en la distribuci´ on de la electricidad. Una caracteristica fundamental de dichas moleculas es que sus centros de carga positiva no coincide con la carga negativa, el enlace polar esta caracterizado por un par de electrones pertenecinte ,

¿Qu´e pasa entonces en un aparato el´ectrico o una bombilla por la que circule 1 A, es decir, 1 C cada segundo? Pues que lo que pasa por sus cables son cargas negativas a trav´es de una estructura m´as o menos est´atica de cargas positivas, por lo que la carga neta en cada momento en el cable es cero. Podemos entonces hacer un analisis de la magnitud la los amperios sabiendo cuanto flujo de carga aguanta persona, el cuerpo humano soporta unos ,

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A.Morales, J.Murcia, N.Bautista

220-250 voltios (V) y corrientes continuas desde 2,5 hasta 16 amperios (A). 5.

EFECTO TRIBOELECTRICO

el efecto triboelectrico es un tipo de electrificacion,que se da como consecuencia de usualmente el frotamiento directo,este efecto se da con el contacto con otros materiales al producir que sus cargas se descompensen. El efecto producido se condiciona al tipo de material , su dureza,temperatura,tensi´ on,entre otros. 5.1.

Serie o escala triboelectrica FIGURA 8. Generador Van der Graff

¨ Una serie triboel´ectrica es una lista de aquellos materiales que, durante la electrificaci´ on por fricci´ on, quedan cargados positivamente hasta los que quedan cargados negativamente.”(Fuente original: Escuelapedia.com )

dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta. [Figura 8] Como primero, en la descripci´on del funcionamiento del Generador de Van der Graff, se electrifica la superficie de la polea inferior debido a que la superficie del polea y la cinta est´an hechos de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario. Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor. La polea superior act´ ua en sentido contrario a la inferior, la polea superior puede estar cargada positivamente. Tendr´a que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es met´alica). Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta est´a hecha de goma, y la polea inferior est´a hecha de nylon cubierto con una capa de pl´astico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco.

FIGURA 7. Serie triboel´ectrica.Tomada de http://www.escuelapedia.com/serie-triboelectrica/

6.

GENERADOR VAN DER GRAFF

El generador Van de Graaff fue inventado en 1931 (por un fisico con su mismo nombre) con el prop´ osito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar part´ıculas cargadas que se hac´ıan chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las caracter´ısticas de los n´ ucleos del material que constituye el blanco. El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la bater´ıa es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, ,

Si se usa un material neutro en la polea superior, la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

,

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El Dilema de la carga electrica 7.

ELECTROSCOPIO

5

dos pinceles flexibles de hilo met´alico, sostenidos en los extremos de un arco met´alico.

Un electroscopio es un instrumento cientifico, el cual permite medir la carga electica presente en un cuerpo e identificar el signo de la misma, esta constituido por una botella de vidrio que en su interior posee una vara metalica y esta a su vez tiene dos laminas metalicas, por lo general de oro o aluminio, las cuales estan conectadas en su parte inferior, la botella esta tapada por un material aislante y finalmente tiene una esfera en la parte superior de la botella. [ver figura 9] Su funcionamiento se basa en inducir una carga de signo conocido en el electroscopio, una vez hecho esto se puede acercar el cuerpo del que se desea saber, si cuando el cuerpo toque la esfera las laminas en el interior se separan quiere decir que el cuerpo tiene una carga de igual signo que la del electroscopio, en caso contrario,es decir, que las laminas se junten el cuerpo tendria una carga electrica opuesta.

FIGURA 10. Maquina de Wimshurst

Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ´angulo de 90o , comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la m´aquina de Ramsden. En los extremos del di´ametro horizontal, rodean a los platillos dos peines met´alicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la m´aquina. En comunicaci´on con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tama˜ no de la chispa. [Figura 10] FIGURA 9. Electroscopio.Tomadada de steemit.com

8.1. 8.

Puede definirse la disrupci´on de los elememtos como todo aquello que produce una ruptura brusca en el medio en que se encuentra, mas sin embargo, dandole un enfoque de carga electrica podemos asociar este termino como un medio aislante que al ser sometido a una diferencia de potencial el´ectrico muy grande, se convierte en conductor, como el medio aislante ahora funciona como conductor, hay una descarga. Esto esta asociado al funcionamiento de un capacitor.

MAQUINA DE WIMSHURST

Desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor brit´ anico James Wimshurst,esuna m´ aquina electrost´ atica, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy pr´ oximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotaci´ on se efect´ ua con auxilio de un manubrio que act´ ua sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de esta˜ no, que durante la rotaci´ on frotan con ,

Disrupci´ on de los elementos

Un capacitor el´ectrico, es un dispositivo que se utiliza para almacenar energ´ıa y liberarla r´api,

,

6

A.Morales, J.Murcia, N.Bautista Donde v es el volumen 9. 9.1.

damente.Funciona con un campo el´ectrico, que almacena energia lentamente en sus placas, alimentado por su bater´ıa durante algunos segundos, para descargarlo r´ apidamente, en solo algunos milisegundos, como un golpe de l´ atigo (impulso el´ectrico). Los capacitores de energ´ıa el´ectrica, se emplean para prover proveer intensas pulsaciones el´ectricas, de laser, como tambi´en para producir campos el´ectricos como es el caso del dispositivo de placas paralelas que desv´ıa los haces de part´ıculas cargadas. Densidad de carga el´ ectrica En muchas ocasiones no tenemos la cantidad total de carga acumulada en un cuerpo, pero sabemos de qu´e forma aquella est´ a distribuida por unidad de longitud, de superficie o de volumen. De esta forma, sabiendo que cantidad de carga tenemos por cada una de estas unidades podemos calcular la carga total.

FIGURA 12. Experiencia cualitativa,Globos cargados.Tomada de areatecnologica.com

9.2.

Densidad lineal de carga: Expresa la cantidad de carga por unidad de longitud (coulomb / metro). Q l Donde Q es la carga y l la longitud.

Globo y Globo

En este montaje, que se realiza con dos globos, inflados cada uno y cargado por fricci´on en este caso con el cabello de un voluntario y en otros casos con lana ,se puede observar que al intentar acercar los dos globos cargados,estos se repelen , ya que quedan cargados con el mismo tipo de carga y por ende se genera una fuerza de repulsion. Por otra parte,al cargar solo uno de los globos , se puede evidenciar que al acercarlo al otro, se produce una fuerza de atracci´on.

FIGURA 11. Capacitores. Tomada de http://celeridad.net/ti2dll/que-son-los-capacitoresy-para-que-sirven/

λ=

EXPERIENCIAS CUALITATIVAS

Globo y Lata

Se carga el globo , al igual que en caso anterior por frotamiento, al acercarlo a una lata que posee carga neutra, esta se ve atraida por la carga del globo, esto a consecuencia de una separaci´on de cargas por inducci´on electrost´atica. Ya que el globo no toca la lata, pero al atraerse esta se deja guiar por el globo. [Ver figura 13]

(2)

Densidad superficial de carga: Expresa la cantidad de carga por unidad de superficie (coulomb / metro cuadrado). σ=

Q s

(3)

Donde s es la superficie Densidad volumetrica de carga: expresa la cantidad de carga por unidad de volumen (coulomb / metro c´ ubico). ρ=

Q v

FIGURA 13. Experiencia cualitativa,Globo cargado y lata.Tomada de rincondelaciencia.educa.madrid.org

(4) ,

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7

El Dilema de la carga electrica 9.3.

10.

Globo y agua

El agua que sale del chorro, al ser conformada por una molecula polar, tiene un estado neutro cuando se le acerca un globo previamente cargado negativamente, por inducci´ on los electrones presentes en el agua se van a repeler y los protones se atraen, de dicha manera se logra curvar el flujo.[Ver figura 14]

CONCLUSIONES Teniendo en cuenta las experiencias cualititativas, es posible cargar un cuerpo por medio de la interacci´on de dos materiales debido a sus propiedades electricas A pesar de que las cargas en el atomo se ven representadas por medio de los electrones y protones, es posible generar una interacci´on macroscopica de una cuerpo lo que demuestra que un cuerpo puede tener cierto valor de carga por las propiedades ya mencionadas.

REFERENCES [1] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo electrico /graaf/graaf.htm (Dia de consulta, sabado, 24 de agosto, 2019) [2] https://www.upct.es/seeu/ as/divulgacion cyt 09/ Libro Historia Ciencia/web/wimshurst.htm (Dia de consulta, sabado, 24 de agosto, 2019)

FIGURA 14. Experiencia cualitativa,Globo cargado frente a un chorro de agua.Tomada de laboratoriofisica.com

[3] http://electricidad901.blogspot.com/ consulta, sabado, 24 de agosto, 2019)

9.4.

(Dia

de

Botella de vidrio y pared [4] https://www.solociencia.com/fisica/cargaelectrica-forma-cargar-cuerpo.htm (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019)

Debido al efecto triboelectrico, al momento de frotar la botella con la pared, realizando una fuerza considerable y teniendo una mediana duracion en el movimiento, mientras se compensan las cargas la botella queda pegada a la pared.

[5] http://onemons.es/que-es-el-efecto-triboelectrico/ (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [6] http://www.escuelapedia.com/serietriboelectrica/ (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [7] http://querespuesta.com/questions/view/2005/quees-un-capacitor-y-como-funciona–principio-defuncionamiento-del-capacitor—condensadorelectrico (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [8] https://www.fisicapractica.com/densidadcarga.php (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [9] https://www.conocimientosweb.net/portal/article192.html (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [10] https://fisicajudarasa.jimdo.com/contenido/unidad1/1-1-2-carga-el %C3 %A9ctrica-y-sus-unidades (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019) [11] https://www.lifeder.com/electroscopio/ (Dia de consulta, lunes, 26 de agosto, 2019)

FIGURA 15. Experiencia cualitativa, Botella de vidrio sostenida por un muro

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