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17.6: Aplicaciones de Electrostática

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    objetivos de aprendizaje

    • Describir el efecto del proceso de replicación del ADN sobre los enlaces de hidrógeno

    Todos los organismos vivos contienen ADN o ARN. Estas moléculas contienen información genética que define (o al menos influye) todas las características del organismo. Tanto en el ADN como en el ARN, la electrostática juega un papel importante. Para el propósito de este átomo nos enfocamos específicamente en el ADN.

    El ADN es una macromolécula grande que (en el espacio tridimensional) forma la forma de una doble hélice, como se muestra en. “La “" cadena principal "” de cada hélice se forma a partir de subunidades alternas de desoxirribosa y fosfato como se ilustra en.” Cada desoxirribosa está conectada a una base que se extiende entre las dos cadenas principales. Se pueden encontrar cuatro bases en el ADN: adenina, guanina, citosina y timina. Su orden en secuencia determina las características genéticas del organismo progenitor.

    imagen

    Fosfato en el ADN: Las moléculas complejas que componen nuestro ADN se mantienen unidas por un esqueleto fosfato-desoxirribosa, como se muestra.

    Las bases de cada cadena de ADN se posicionan cerca una de la otra pero no como resultado de enlaces químicos formales. Las interacciones electrostáticas, en este caso también conocidas como enlaces de hidrógeno, son las que mantienen unidos estos enlaces.

    En, (en el caso de guanina y citosina) hay tres casos en los que los átomos de hidrógeno son atraídos por átomos de nitrógeno y oxígeno cercanos (denotados por líneas discontinuas). Para la adenina y la timina, existen dos de esos enlaces de hidrógeno. Estas interacciones se pueden modelar como interacciones electrostáticas: los electrones de los átomos de oxígeno y nitrógeno son negativos y son atraídos por los núcleos expuestos (que son positivos) de los átomos de hidrógeno cercanos. Estos enlaces de hidrógeno son relativamente débiles, pero su suma es lo suficientemente fuerte como para mantener unidas las dos cadenas de ADN.

    imagen

    Enlace de hidrógeno entre guanina y citosina: En el caso de guanina y citosina, hay tres casos en los que los átomos de hidrógeno son atraídos por átomos de nitrógeno y oxígeno cercanos (denotados por líneas discontinuas).

    Cuando el ADN se replica, como lo hace en la reproducción celular, primero es “descomprimidos” por cualquiera de una serie de enzimas conocidas como Helicasas de ADN. Estas enzimas rompen los enlaces de hidrógeno electrostáticos entre las dos cadenas.

    Fotocopiadoras e Impresoras

    Las fotocopiadoras utilizan la xerografía, un proceso que utiliza principios de la electrostática, para copiar imágenes.

    objetivos de aprendizaje

    • Describir las funciones de una fotocopiadora y distinguir los tres pasos de la xerografía

    Una fotocopiadora es una máquina que imprime copias de documentos e imágenes en papel. Actualmente, la mayoría de las fotocopiadoras utilizan un proceso llamado xerografía, que es seco y utiliza calor en la impresión.

    Diferentes modelos de fotocopiadoras varían algo en sus métodos, pero la primera instancia de xerografía implicó el uso de un fotosensor con una cámara de copia y una unidad de procesamiento separada. Hasta el día de hoy, la xerografía se realiza en un proceso de cinco pasos, en el que la electrostática juega un papel importante. Este proceso se esquematiza con explicaciones de cada paso que se describen en el siguiente texto.

    imagen

    Cómo funciona una fotocopiadora: Esta imagen describe cómo funciona una fotocopiadora.

    Cargar

    En el primer paso de la xerografía, un dispositivo de alto voltaje (ya sea un cable corona o un rodillo de carga) carga un tambor cilíndrico. Esto ocurre por descarga en corona, con salida limitada por una rejilla de control o pantalla: una carga negativa en el cable ioniza el espacio entre el cable y el conductor, por lo que los electrones son repelidos y empujados sobre el conductor. El conductor se coloca encima de una superficie conductora y se mantiene a potencial de tierra.

    La polaridad de carga puede ser alterada dependiendo de los efectos deseados. Se utiliza un proceso positivo para producir copias de negro sobre blanco, mientras que un proceso negativo se utiliza para producir negro sobre blanco a partir de originales negativos.

    Exposición

    Una lámpara ilumina el documento original. Las áreas blancas del original reflejan la luz sobre la superficie del tambor, que exhibe fotoconductividad (se convierte en conductor en presencia de luz). Las áreas del tambor expuestas a la luz luego se descargan al suelo; las otras partes del tambor (que no son conductoras, no han sido expuestas a la luz) permanecen cargadas negativamente. Así, el resultado es una imagen eléctrica en la superficie del tambor.

    Desarrollando

    El tóner, un polvo utilizado para formar imágenes en el papel, está cargado positivamente. Cuando se coloca en el tambor, se siente atraído por las áreas negativas (negras). Esto desarrolla la imagen.

    Traslado

    La imagen con tóner en el tambor se transfiere a un trozo de papel con más carga negativa que el tambor.

    Fusión

    El tóner se funde y se adhiere al papel mediante rodillos de calor y presión.

    Cabe señalar que la explicación anterior es típica de las copiadoras modernas, pero algunas copiadoras más antiguas utilizan un tambor positivo y papel, y un tóner cargado negativamente.

    Generadores Van de Graff

    Un generador Van de Graaff es un dispositivo que se puede utilizar para separar cargas y crear diferencias de potencial en el rango de megavoltos.

    objetivos de aprendizaje

    • Identificar y describir funciones de las partes principales de un generador Van de Graaff

    Un generador Van de Graaff es un dispositivo utilizado para separar cargas eléctricas. Usando una correa móvil, puede crear diferencias de potencial extremadamente altas. En algunos casos estos pueden alcanzar un valor superior a cinco megavoltos.

    Fundamentalmente, un generador Van de Graaff consiste en una correa dieléctrica flexible (se usa comúnmente la seda) que se extiende sobre dos poleas metálicas. Una de estas poleas está rodeada por una esfera metálica hueca. Dos electrodos se colocan cerca de la parte inferior de la polea inferior y dentro de la esfera, sobre la polea superior. Un peine está conectado a la esfera, y otro está conectado al suelo. En esta figura, se aplica un alto potencial de CC positivo al rodillo superior.

    imagen

    Esquema de un Generador Van de Graaff: Los números en el diagrama indican: 1) esfera metálica hueca; 2) electrodo superior; 3) rodillo superior (por ejemplo un vidrio acrílico); 4) lado de la cinta con cargas positivas; 5) lado opuesto de la cinta con cargas negativas; 6) rodillo inferior (metal); 7) inferior electrodo (tierra); 8) dispositivo esférico con cargas negativas, utilizado para descargar la esfera principal; 9) chispa producida por la diferencia de potenciales

    La separación de carga en un generador Van de Graaff es un proceso complejo de múltiples etapas. Debido al campo eléctrico alrededor de la polea inferior, la correa recibe carga negativa a medida que pasa por el peine inferior. Cuando la cinta entra en contacto con el rodillo superior, deja el rodillo con una carga negativa a medida que se transfieren electrones. Los electrones se filtran desde el cinturón hasta el peine superior y luego el terminal, dejando el cinturón cargado positivamente y el terminal cargado negativamente. La esfera actúa como un escudo de Faraday, protegiendo el rodillo superior y el peine del campo eléctrico producido por cargas en el exterior de la esfera. Eventualmente, se produce la descarga y la correa cambia la polaridad. A medida que la correa continúa, una corriente de carga viaja a través de la correa, y la esfera adquiere cada vez más carga negativa hasta que las tasas a las que gana y pierde carga (lo que ocurre por fugas y descarga corona) son iguales. El potencial final es proporcional al tamaño de la esfera y su distancia del suelo.

    Puntos Clave

    • En el ADN, los enlaces de hidrógeno entre pares de bases mantienen juntas dos cadenas opuestas.
    • Los enlaces de hidrógeno que mantienen unido el ADN son interacciones electrostáticas entre el núcleo de un átomo de hidrógeno y los electrones de un átomo de oxígeno o nitrógeno.
    • Cuando el ADN se replica, una enzima helicasa “desabrocha” la doble hélice, rompiendo los enlaces de hidrógeno que la mantienen unida en el centro.
    • En el primer paso de la xerografía, un dispositivo de alto voltaje (ya sea un cable corona o un rodillo de carga) carga un tambor cilíndrico.
    • En el segundo paso, una lámpara ilumina el documento original. Las áreas blancas del original reflejan la luz sobre la superficie del tambor, que es fotoconductora. Las áreas del tambor expuestas a la luz luego se descargan al suelo.
    • A continuación, el tóner, un polvo cargado positivamente que se utiliza para formar imágenes en el papel, se coloca en el tambor. Se siente atraído por las áreas negativas (negras). Esto desarrolla la imagen.
    • La imagen con tóner en el tambor se transfiere luego a un trozo de papel con más carga negativa que el tambor.
    • Finalmente, el tóner se funde y se adhiere al papel mediante rodillos de calor y presión.
    • Fundamentalmente, un generador Van de Graaff consiste en una correa dieléctrica flexible (se usa comúnmente la seda) que se extiende sobre dos poleas metálicas.
    • La cinta se utiliza para transportar carga, aislando la carga positiva de la carga negativa.
    • La diferencia máxima de potencial que puede crear un generador de Van de Graaff se logra cuando las velocidades a las que la esfera (que retiene carga) gana y pierde carga son iguales. La carga se puede perder por fugas y descarga de corona.

    Términos Clave

    • base: Nucleobase de un nucleótido en el contexto de un biopolímero de ADN o ARN.
    • fotoconductividad: Un aumento en la conductividad eléctrica de un material como resultado de la radiación electromagnética incidente
    • xerografía: un proceso de fotocopia en el que una imagen negativa formada sobre una placa cargada eléctricamente se transfiere como positivo al papel y se fija térmicamente
    • Escudo de Faraday: Una jaula de Faraday o escudo de Faraday es un recinto formado por material conductor o por una malla de dicho material. Tal recinto bloquea los campos eléctricos estáticos y no estáticos externos.
    • polaridad: la separación, alineación u orientación de algo en dos polos opuestos
    • descarga en corona: una descarga eléctrica producida por la ionización de un fluido que rodea a un conductor que está energizado eléctricamente

    LICENCIAS Y ATRIBUCIONES

    CONTENIDO CON LICENCIA CC, COMPARTIDO PREVIAMENTE

    CC CONTENIDO LICENCIADO, ATRIBUCIÓN ESPECÍFICA

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