TEORÍA SOBRE ELECTRICIDAD I

Material teórico suministrado por el CSIC
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TEORÍA SOBRE ELECTRICIDAD I.
CONTENIDOS.
-Introducción teórica.
-Electricidad Estática.
-Materiales conductores y aislantes.
DESARROLLO.
-Introducción teórica.
La carga eléctrica es una propiedad que presentan algunas partículas elementales; da lugar a una
interacción o fuerza electrostática entre ellas, y por extensión a muchos fenómenos definidos como
eléctricos. La carga aparece en la naturaleza de dos formas diferentes, carga positiva y carga negativa.
Entre dos partículas con cargas del mismo signo se estables una fuerza de repulsión; por el contrario,
si sus cargas son de distinto signo la fuerza es de atracción. En la naturaleza la carga eléctrica aparece
solamente en partículas que tienen masa; no se conoce ninguna partícula elemental carente de masa y que
posea carga (como sería el caso de fotones con carga eléctrica).
La unidad natural de carga negativa es la del electrón; la unidad natural de carga positiva es la del
protón. Ambas partículas poseen la misma cantidad de carga pero de signos opuestos.
Partiendo de la ley de Coulomb se deducen los siguientes teoremas:
-Las cargas del mismo signo se repelen.
(El signo de la fuerza es positivo)
-Las de distinto signo se atraen.
-Electricidad Estática.
Nosotros vamos a realizar los experimentos de Tales de Mileto empleando materiales fáciles de
encontrar y sencillos de manipular, apropiados para su empleo en nuestras aulas. Aunque no es difícil
encontrar trozos de ámbar para estos experimentos, ya que se viene empleando en joyería desde los
tiempos de Tales, nosotros proponemos el empleo de pajitas de plástico, de las de refresco, y una servilleta
o pañuelo de papel; los mejores resultados se obtienen con las toallas que se utilizan para secarse las
manos en los lavabos, que son muy absorbentes y poseen gran resistencia mecánica.
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“El CSIC en la Escuela”
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El primer experimento consiste en frotar la pajita o el trozo de tubería de PVC con el pañuelo seco
durante unos treinta o cuarenta segundos. Inmediatamente adquiere la propiedad de atraer pequeños
objetos como cabellos, confeti y pedacitos de papel. Esta propiedad la pierde cuando pasa algún tiempo,
que depende de la humedad del aire, o cuando la descargamos tocándola con la mano.
Podemos electrizar un cuerpo frotándolo con otro. Por ejemplo frotando una pajita de refrescos, un
globo o un peine de plástico, con una servilleta de papel. La combinación plástico-servilleta de papel es la
más apropiada para trabajar en el aula, ya que la servilleta limpia la superficie del objeto a la vez que lo
electriza, absorbiendo pequeñas cantidades de grasa o agua.
Si se quiere disponer de más cantidad de carga eléctrica, aconsejamos utilizar un trozo de unos 50
centímetros de longitud de tubería de PVC no muy gruesa, bien desengrasada con alcohol y electrizada con
los mismos elementos.
Primer resultado: la pajita siempre a trae a los cuerpos pequeños. Este es el fenómeno que debemos
explicar.
La fuerza eléctrica es muy fácil de observar. Se pueden realizar experimentos más espectaculares
empleando un bote de refresco vacío, una pila de linterna o un lápiz grueso, situados en una mesa de
superficie lisa o, mejor, cubierta por una superficie de vidrio. Como indica la figura cuando se aproxima una
pajita cargada por frotamiento con una servilleta, en la forma descrita, veremos que estos elementos se
desplazan por la mesa. De momento dejaremos sin explicar estos fenómenos, pero plantearemos a
nuestros alumnos el problema de encontrar la posible explicación a esta nueva fuerza, la de naturaleza
eléctrica.
Otros experimentos sencillos con una pajita electrizada.
Este es el momento en que debemos enfrentar a nuestros alumnos con la necesidad de explicar los
resultados experimentales Pero nosotros, que sabemos cómo son lo, podemos explicarnos el fenómeno
perfectamente Normalmente los cuerpos tienen el mismo número de electrones que de protones y no tienen
carga eléctrica. Se dice que son eléctricamente neutros
Pero cuando los frotamos con lana o una servilleta de papel,
se electrizan, Es decir que adquieren carga eléctrica neta.
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Para Tales y sus contemporáneos estos fenómenos constituían un misterio. Pero nosotros
conocemos la explicación, ya que conocemos la estructura del átomo.
Unos 2000 años después de Tales…
William Gilbert (1544-1603) demostró que la electricidad y el magnetismo eran fenómenos diferentes.
El vidrio, el ámbar y muchas otras sustancias de podían electrizar por frotamiento en aire seco y atraían a
otros cuerpos, aunque con el tiempo perdían la propiedad. Gilbert llamó a las fuerzas que producían estos
fenómenos fuerzas eléctricas, ya que en griego la palabra para designar al ámbar es elektron. De esta
palabra se derivan electricidad y electrónica.
Gilbert inventó el versorium para determinar si un objeto estaba electrizado, independientemente de
si era magnético o no.
Nosotros hemos construido un versorium para utilizar en el
aula, muy sencillo pero muy sensible. Consiste en un trozo de
papel de aluminio grueso, del que se utiliza en los moldes para
repostería, de la forma que indica la figura, suspendido de un hilo
que se mantiene tenso por medio de un peso pequeño. Su
funcionamiento es muy simple: en el momento en que se acerca
un cuerpo electrizado el versorium se mueve hacia éste, sirviendo
como indicación de la presencia de carga eléctrica. También
podemos emplear este instrumento par demostrar que los
fenómenos electrostáticos son de diferente naturaleza de los
magnéticos, ya que el versorium no es sensible a los imanes.
-Materiales conductores y aislantes (explicación teórica).
Existen materiales a través de los cuales la corriente eléctrica circula fácilmente, como el cobre del
interior de los cables, el agua de la cañería y los metales en general. A estos materiales se los llama
conductores de la electricidad. En cambio, la corriente eléctrica no se desplaza fácilmente a través del
plástico (como el de la cubierta externa de los cables), la madera, la tela y la goma. Estos materiales, son
llamados aislantes eléctricos.
Explicación más compleja.
Una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo,
es posible cargarla si se la provee de un mango de vidrio o de ebonita y el metal no se toca con las manos
al frotarlo.
La explicación es que las cargas se pueden mover libremente en los metales y el cuerpo humano,
mientras que en el vidrio y la ebonita no pueden hacerlo.
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Esto debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los
núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se
denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas
sustancias se denominan conductores.
En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están
firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones
libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son denominadas
aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos.
Es de relevancia tener en cuenta, y puede verificarse experimentalmente, que solamente la carga
negativa se puede mover. La carga positiva es inmóvil y únicamente los electrones libres son los
responsables del transporte de carga.
Un material puede ser aislante o conductor según su configuración atómica. Un ejemplo notable son
los denominados superconductores, típicamente materiales a bajísima temperatura.
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