2.1: Carga eléctrica

Carga por Contacto

Ahora sabemos que toda la materia se mantiene unida por la fuerza atractiva entre números iguales de electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente. Los primeros investigadores en la década de 1700 descubrieron la existencia de estas dos especies de cargas realizando experimentos como los de las Figuras 2-1 a 2-4. Cuando una varilla de vidrio es frotada por un paño seco, como en la Figura 2-1, algunos de los electrones en el vidrio se frotan sobre la tela. La tela entonces se carga negativamente porque ahora tiene más electrones que protones. La varilla de vidrio se convierte

Figura 2-1 Una varilla de vidrio frotada con un paño seco pierde algunos de sus electrones a la tela. La varilla de vidrio tiene entonces una carga positiva neta mientras que la tela ha adquirido una cantidad igual de carga negativa. La carga total en el sistema sigue siendo cero.

cargado positivamente ya que ha perdido electrones dejando atrás un número excedente de protones. Si la varilla de vidrio cargada positivamente se acerca a una bola de metal que es libre de moverse como en la Figura 2-2a, los electrones en la bola cerca de la varilla son atraídos hacia la superficie dejando una carga positiva descubierta en el otro lado de la bola. Esto se llama inducción electrostática. Entonces hay una fuerza atractiva de la pelota a la varilla. Al entrar en contacto con la varilla, las cargas negativas son neutralizadas por algunas de las cargas positivas en la varilla, conservando toda la combinación una carga positiva neta como en la Figura 2-2b. Esta transferencia de carga se llama conducción. Luego se encuentra que la pelota ahora cargada positivamente es repelida de la varilla cargada de manera similar. Se dice que la bola de metal está conduciendo ya que las cargas se inducen y conducen fácilmente. Es importante que la cuerda de soporte no sea conductora, es decir, aislante, de lo contrario la carga también se distribuiría sobre toda la estructura y no solo sobre la pelota.

Si dos de esas bolas cargadas positivamente se acercan entre sí, también se repelerán como en la Figura 2-3a. De igual manera, estas bolas podrían cargarse negativamente si se ponen en contacto con la tela cargada negativamente. Entonces también se encuentra que dos bolas cargadas negativamente se repelen entre sí. Por otro lado, si una bola se carga positivamente mientras que la otra está cargada negativamente, atraerán. Estas circunstancias se resumen por las reglas simples:

Cargos Opuestos Atraen. Como Cargos Repelen.

Figura 2-2 (a) Una varilla cargada cerca de una bola neutra inducirá una carga opuesta en la superficie cercana. Dado que la pelota es inicialmente neutral, una cantidad igual de carga positiva permanece en la superficie lejana. Debido a que la carga negativa está más cerca de la varilla, siente una fuerza de atracción más fuerte que la fuerza de repelencia debido a las cargas similares. (b) Al entrar en contacto con la varilla se neutraliza la carga negativa dejando la pelota cargada positivamente. (c) Las cargas similares luego se repelen provocando que la pelota se desvíe.

Figura 2-3 (a) Los cuerpos cargados similares se repelen mientras que (b) los cuerpos con carga opuesta se atraen.

En la Figura 2-2a, la varilla cargada positivamente atrae la carga inducida negativa pero repele la carga positiva descubierta en el extremo lejano de la pelota. La fuerza neta es atractiva porque la carga positiva sobre la bola está más alejada de la varilla de vidrio de manera que la fuerza repulsiva es menor que la fuerza de atracción.

A menudo experimentamos electrificación por fricción cuando cruzamos una alfombra o sacamos la ropa de una secadora. Cuando nos peinamos con un peine de plástico, nuestro cabello a menudo se carga. Cuando se quita el peine nuestro cabello aún se levanta, ya que como pelos cargados se repelen entre sí. A menudo estos efectos resultan en chispas porque la presencia de grandes cantidades de carga en realidad extrae electrones de las moléculas de aire.

Inducción electrostática

Incluso sin contacto directo, la carga neta también se puede colocar en un cuerpo por inducción electrostática. En la Figura 2-4 a vemos dos bolas suspendidas inicialmente neutras en contacto adquiriendo cargas opuestas en cada extremo debido a la presencia de una varilla cargada. Si las bolas ahora están separadas, cada mitad conserva su carga neta incluso si se retira la varilla inductora. La carga neta en las dos bolas es cero, pero hemos podido aislar las cargas netas positivas y negativas en cada bola.

Figura 2-4 Se puede colocar una carga neta sobre un cuerpo sin contacto por inducción electrostática. a) Cuando un cuerpo cargado se acerca a un cuerpo neutro, el lado cercano adquiere la carga opuesta. Al ser neutral, el lado lejano adquiere una carga igual pero opuesta. b) Si se separa el cuerpo inicialmente neutro, cada mitad conserva su carga.

Experimento “Cubeta de hielo” de Faraday

Estos experimentos mostraron que cuando un conductor cargado contactaba con otro conductor, ya sea cargado o no, se compartía la carga total en ambos cuerpos. La presencia de carga se midió primero cualitativamente mediante un electroscopio que consistió en dos hojas de lámina metálica unidas. Al ser cargada, la repulsión mutua provocó que las hojas divergieran.

En 1843 Michael Faraday utilizó un electroscopio para realizar el sencillo pero iluminador experimento de “cubo de hielo” ilustrado en la Figura 2-5. Cuando un cuerpo cargado se encuentra dentro de un conductor aislado cerrado, aparece una cantidad igual de carga en el exterior del conductor como lo demuestra la divergencia de las hojas del electroscopio. Esto es cierto independientemente de que el cuerpo cargado haya contactado o no con las paredes internas del conductor circundante. Si no lo ha hecho, se inducen cargas opuestas en la pared interior dejando carga desequilibrada en el exterior. Si se retira el cuerpo cargado, la carga en el interior y el exterior del conductor cae a cero. Sin embargo, si el cuerpo cargado sí entra en contacto con una pared interior, como en la Figura 2-5c, toda la carga en la pared interior y bola se neutraliza dejando el exterior cargado. Al retirar el cuerpo inicialmente cargado como en la Figura 2-5d, lo encontrará sin carga, mientras que el cubo de hielo ahora contiene la carga original.

Si se repite el proceso que se muestra en la Figura 2-5, la carga sobre el cubo puede acumularse indefinidamente. Este es el principio de los generadores electrostáticos donde se almacenan grandes cantidades de carga por deposición continua de pequeñas cantidades de carga.

Figura 2-5 Faraday demostró primero los principios de conservación de carga mediante la fijación de un electroscopio a un cubo de hielo metálico inicialmente no cargado. a) Cuando todas las cargas están lejos del cubo, no hay carga en el cubo ni en las hojas flexibles de oro del electroscopio adheridas al exterior de la lata, que así cuelgan limpamente. (b) Cuando una bola cargada entra dentro del cubo, se inducen cargas opuestas en la superficie interna. Dado que el cubo y el electroscopio eran originalmente neutros, aparece carga desequilibrada en el exterior de la cual parte está en las hojas del electroscopio. Al estar las hojas como cargadas se repelen entre sí y así divergen. (c) Una vez que la bola cargada está dentro de un cuerpo conductor cerrado, la carga en el exterior del cubo es independiente de la posición de la bola cargada. Si la bola cargada entra en contacto con la superficie interna del cubo, las cargas internas se neutralizan entre sí. Los cargos externos permanecen sin cambios. d) A medida que la bola ahora no cargada abandona el cubo, la carga distribuida en el exterior del cubo y el electroscopio se mantiene sin cambios.

Esta gran acumulación de carga da lugar a una gran fuerza sobre cualquier otra carga cercana, razón por la cual se han utilizado generadores electrostáticos para acelerar partículas cargadas a velocidades muy altas en estudios atómicos.