1.3 CARGA ELÉCTRICA Y SUS PROPIEDADES

Algunos experimentos sencillos demuestran la existencia de fuerzas y cargas eléctricas. Por ejemplo, después de pasar un peine por el cabello en un día seco, descubrirá que el peine puede atraer pedacitos de papel y que la fuerza atractiva es lo suficiente mente fuerte para sostener los trocitos de papel, el mismo efecto se puede observar con el vidrio y el caucho si se frotan con seda o piel. Otro experimento es frotar con tela sintética un globo inflado el cual se adhiere a una pared durante horas. Cuando los materiales se comportan así se dice que están electrificados o se han cargado eléctricamente. Estos experimentos funcionan mejor en días secos ya que la humedad relativa en el aire puede ocasionar que la carga acumulad se escape a tierra.

Figura 1.1

Benjamín Franklin (1706-1790) a través de experimentos se encontró que hay dos tipos de cargas eléctricas y les asigno los nombres de positiva y negativa. Para demostrar este hecho tome una barra de caucho y frótela con un paño y después la suspende por medio de un hilo no metálico como en la figura 1.1, aproxime una barra de vidrio frotada previamente con seda a la barra de caucho, se observa que las dos se atraen entre si figura 1.1a. Por otro lado si dos barras de caucho (o de vidrio cargadas) se acercan figura 1.1b, las dos se repelen. Esta observación nos indica que el caucho y el vidrio están electrificados de forma diferente. Estas observaciones nos permiten concluir que dos cargas similares se repelen entre si y dos cargas opuestas se atraen entre si. Esto se comprende a partir del hecho de que la materia neutra, sin carga, contiene cargas eléctricas positivas y negativas.

La carga eléctrica sobre una barra de vidrio se denomina positiva(+) cualquier cuerpo que sea repelido por la barra de vidrio debe tener carga positiva, cualquier cuerpo que sea atraído tendrá carga negativa. La carga en una barra de caucho se denomina negativa(-), y cualquier cuerpo que es atraído por una barra de caucho debe tener carga positiva, cualquier cuerpo que sea repelido tendrá carga negativa .

Las carga eléctricas de atracción son responsables del comportamiento de productos comerciales: Por ejemplo, el plástico en lentes de contacto (etafilocom) el cual esta hecho de moléculas que atraen eléctricamente las moléculas de las proteínas en las lagrimas humanas, las que son absorbidas y sostenidas por el plástico de tal forma que los lentes os al fina están formados de lagrimas humanas, de esta forma el ojo no percibe al lente como un objeto extraño. Muchos cosméticos utilizan esta ventaja de las fuerzas eléctricas al incorporan materiales que son atraídos eléctricamente ala piel o el cabello permitiendo que permanezcan en su lugar una vez aplicados.

La carga eléctrica siempre se conserva, cuando un cuerpo se frota con otro, no se recrea carga en el proceso, la electrificación se debe a una transferencia de cargas de un cuerpo a otro. Un cuerpo gana carga eléctrica negativa mientras que otro gana carga eléctrica positiva. Apartir de la comprensión de la estructura atómica se sabe que los electrones tienen carga eléctrica negativa y nos permite comprender que al frotar vidrio en seda los electrones son transferidos de el vidrio a la seda, de igual manera al frotar caucho con piel los electrones se transfieren de la piel a la caucho, con lo cual la piel se queda con carga positiva (falta de electrones) y el caucho con carga negativa (exceso de electrones).

Robert Millikan (1868-1953) descubrió que la carga eléctrica es múltiplo de la unidad fundamental carga eléctrica (electrón) e*, la carga (q) esta cuantizada y existe como paquetes discretos y se puede escribir q = Ne donde N es un numero entero. Experimentos a nivel atómico muestran que el electrón tiene carga negativa –e y el protón tiene una carga igual en magnitud pero de signo contrario +e, el neutron no pose carga. Un átomo neutro debe contener el mismo numero de protones que de electrones.

Propiedades de la carga eléctrica:

• La carga se conserva
• La carga esta cuantizada
• Existen dos tipos de carga en la naturaleza positivas y negativas

Conductores, aisladores y semiconductores eléctricos
Los conductores son materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con facilidad. Los aisladores son materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con dificultad.

Los semiconductores son materiales cuyas propiedades se encuentran entre la de los aisladores y conductores.

Cuando los aislantes se cargan por frotamiento, solo el área que se frota queda cargada y la carga no puede moverse a otras regiones del material. En contraste con los conductores cuando se cargan en alguna región la carga se distribuye rápidamente en toda la superficie del material, esto sugiere que la material no puede cargarse, sin embargo, si usted sostiene la barra cargada por medio de un mango de madera mientras se frota, la barra permanecerá cargada debido a que la madera aísla al conductor de la persona que la sostiene, si no se toma con el mango de madera las cargas fluirían con facilidad hacia tierra. Los semiconductores como el silicio y el germanio son elementos utilizados para la fabricación de dispositivos electrónicos (transistores y diodos) las propiedades de los semiconductores son controladas añadiendo impurezas de otros átomos.

Definiciones de conceptos

• Aterrizado es cuando un objeto se conecta a tierra mediante un conductor
• La carga de un objeto por inducción ocurre cuando los objetos no tienen contacto físico
• En la carga de un objeto por conducción es necesario que exista contacto físico entre los objetos

Figura 1.2

Para entender la inducción considere un esfera conductora neutra aislada de la tierra como se muestra en la figura 1.2a. Cuando una barra de caucho cargada negativamente se acerca a la esfera, la región de la esfera mas cercana a la barra obtiene un exceso de carga positiva, mientras que la región de la esfera mas alejada de la barra obtiene una carga igual pero negativa como se muestra en la figura 1.2b. Si se realiza el mismo experimento con un alambre conductor conectado de la esfera a tierra figura1.2c, una parte de los electrones en el conductor son intensamente repelidos por le presencia de la carga negativa de la carga en la barra que salen de la esfera a través del alambre de aterrizaje y van a la tierra. Si el alambre de tierra se quita después figura 1.2d, la esfera de conducción contiene un exceso de carga positiva inducida. Cuando se quita la barra de caucho de la vecindad de la esfera fig. 1.2e, la carga positiva inducida permanece sobre sin aterrizaje. Se puede observar que la carga que permanece sobre la esfera se distribuye uniformemente sobre su superficie debido a las fuerzas repulsivas entre las cargas similares. Advierta que la barra de caucho no pierde nada de su carga negativa.

Un proceso similar a la inducción en conductores ocurre en aislantes.En la mayor parte de los átomos y moléculas neutros el centro de carga coincide con el centro de carga negativa, sin embargo en presencia de un objeto cargado estos centros pueden desplazarse ligeramente, lo que produce mas carga en un lado de la molécula que de otro lado (polarización).