Electricidad estática

Hace siglos se descubrió que ciertos tipos de materiales se atraerían misteriosamente entre sí después de frotarse. Por ejemplo, después de frotar un trozo de seda contra un trozo de vidrio, la seda y el vidrio tenderían a pegarse. De hecho, había una fuerza atractiva que podía demostrarse incluso cuando los dos materiales estaban separados:

El vidrio y la seda no son los únicos materiales que se sabe que se comportan así. Cualquiera que alguna vez haya rozado un globo de látex y descubra que intenta pegarse a él, ha experimentado este mismo fenómeno. La cera de parafina y la tela de lana son otro par de materiales que los primeros experimentadores reconocieron como manifestantes de fuerzas de atracción después de frotarse:

Este fenómeno se volvió aún más interesante cuando se descubrió que materiales idénticos, después de haber sido frotados con sus respectivos paños, siempre se repelían entre sí:

También se observó que cuando un trozo de vidrio frotado con seda se exponía a un trozo de cera frotado con lana, los dos materiales se atraían entre sí:

Además, se encontró que cualquier material que demuestre propiedades de atracción o repulsión después de ser frotado podría clasificarse en una de dos categorías distintas:atraído por el vidrio y repelido por la cera, o repelido por el vidrio y atraído por la cera. Era uno o el otro:no se encontraron materiales que fueran atraídos o repelidos por el vidrio y la cera, o que reaccionaran a uno sin reaccionar al otro.

Se prestó más atención a los trozos de tela utilizados para frotar. Se descubrió que después de frotar dos piezas de vidrio con dos piezas de tela de seda, no solo las piezas de vidrio se repelen, sino que también lo hacen las telas. El mismo fenómeno sucedió con los trozos de lana utilizados para frotar la cera:

Ahora, esto fue realmente extraño de presenciar. Después de todo, ninguno de estos objetos fue visiblemente alterado por el roce, sin embargo, definitivamente se comportaron de manera diferente que antes de que fueran frotados. Cualquier cambio que haya tenido lugar para hacer que estos materiales se atraigan o se repelan entre sí fue invisible.

Algunos experimentadores especularon que se estaban transfiriendo "fluidos" invisibles de un objeto a otro durante el proceso de frotamiento y que estos "fluidos" podían ejercer una fuerza física a distancia. Charles Dufay fue uno de los primeros experimentadores que demostró que definitivamente había dos tipos diferentes de cambios producidos al frotar ciertos pares de objetos. El hecho de que hubo más de un tipo de cambio manifestado en estos materiales fue evidente por el hecho de que se produjeron dos tipos de fuerzas: atracción y repulsión . La transferencia de fluido hipotética se conoció como una carga .

Un investigador pionero, Benjamin Franklin, llegó a la conclusión de que sólo había un fluido intercambiado entre los objetos frotados, y que las dos "cargas" diferentes no eran más que un exceso o una deficiencia de ese fluido. Después de experimentar con cera y lana, Franklin sugirió que la lana gruesa eliminara parte de este líquido invisible de la cera suave, lo que provocó un exceso de líquido en la lana y una deficiencia de líquido en la cera. La disparidad resultante en el contenido de líquido entre la lana y la cera causaría una fuerza de atracción, ya que el líquido intentaba recuperar su equilibrio anterior entre los dos materiales.

Postular la existencia de un único "fluido" que se ganó o se perdió por frotamiento explicaba mejor el comportamiento observado:que todos estos materiales caían claramente en una de dos categorías cuando se frotaban, y lo más importante, que los dos materiales activos se frotaban uno contra otro. otros siempre cayeron en categorías opuestas como lo demuestra su invariable atracción el uno por el otro. En otras palabras, nunca hubo un momento en el que dos materiales se frotaran entre sí ambos se convirtió en positivo o negativo.

Tras la especulación de Franklin de que la lana frotaba algo de la cera, el tipo de carga que estaba asociada con la cera frotada se conoció como "negativa" (porque se suponía que tenía una deficiencia de líquido) mientras que el tipo de carga asociada con el frotamiento la lana se conoció como "positiva" (porque se suponía que tenía un exceso de líquido). ¡Poco sabía él que su inocente conjetura causaría mucha confusión a los estudiantes de electricidad en el futuro!

El físico francés Charles Coulomb realizó mediciones precisas de la carga eléctrica en la década de 1780 utilizando un dispositivo llamado balanza torsional medir la fuerza generada entre dos objetos cargados eléctricamente. Los resultados del trabajo de Coulomb llevaron al desarrollo de una unidad de carga eléctrica llamada en su honor, el coulomb . Si dos objetos "puntuales" (objetos hipotéticos que no tienen un área de superficie apreciable) se cargaran por igual a una medida de 1 culombio y se colocaran a 1 metro (aproximadamente 1 yarda) de distancia, generarían una fuerza de aproximadamente 9 mil millones de newtons (aproximadamente 2 mil millones libras), ya sea atrayendo o rechazando según los tipos de cargas involucradas. Se encontró que la definición operativa de un culombio como la unidad de carga eléctrica (en términos de fuerza generada entre cargas puntuales) era igual a un exceso o deficiencia de aproximadamente 6.250.000.000.000.000.000 de electrones. O, dicho en términos inversos, un electrón tiene una carga de aproximadamente 0,00000000000000000016 culombios. Dado que un electrón es el portador de carga eléctrica más pequeño conocido, esta última cifra de carga para el electrón se define como la carga elemental .

Mucho más tarde se descubrió que este "fluido" en realidad estaba compuesto por fragmentos extremadamente pequeños de materia llamados electrones . , llamado así en honor a la antigua palabra griega para ámbar:otro material que exhibe propiedades cargadas cuando se frota con un paño.

La composición del átomo

Desde entonces, la experimentación ha revelado que todos los objetos están compuestos de "bloques de construcción" extremadamente pequeños conocidos como átomos y que estos átomos a su vez están compuestos por componentes más pequeños conocidos como partículas . Las tres partículas fundamentales que comprenden la mayoría de los átomos se denominan protones , neutrones y electrones . Si bien la mayoría de los átomos tienen una combinación de protones, neutrones y electrones, no todos los átomos tienen neutrones; un ejemplo es el isótopo de protio (1H1) del hidrógeno (Hidrógeno-1), que es la forma más ligera y común de hidrógeno que solo tiene un protón y un electrón. Los átomos son demasiado pequeños para ser vistos, pero si pudiéramos mirar uno, podría parecer algo como esto:

Aunque cada átomo de una pieza de material tiende a mantenerse unido como una unidad, en realidad hay mucho espacio vacío entre los electrones y el grupo de protones y neutrones que residen en el medio.

Este modelo crudo es el del elemento carbono, con seis protones, seis neutrones y seis electrones. En cualquier átomo, los protones y neutrones están estrechamente unidos, lo cual es una cualidad importante. El grupo fuertemente unido de protones y neutrones en el centro del átomo se llama núcleo , y el número de protones en el núcleo de un átomo determina su identidad elemental:cambia el número de protones en el núcleo de un átomo y cambia el tipo de átomo que es. De hecho, si pudieras eliminar tres protones del núcleo de un átomo de plomo, habrás logrado el sueño de los viejos alquimistas de producir un átomo de oro. La estrecha unión de los protones en el núcleo es responsable de la identidad estable de los elementos químicos y del fracaso de los alquimistas para lograr su sueño.

Los neutrones influyen mucho menos en el carácter químico y la identidad de un átomo que los protones, aunque son igualmente difíciles de añadir o eliminar del núcleo, ya que están tan unidos. Si se agregan o ganan neutrones, el átomo aún conservará la misma identidad química, pero su masa cambiará ligeramente y puede adquirir un extraño nuclear propiedades como la radiactividad.

Sin embargo, los electrones tienen mucha más libertad para moverse en un átomo que los protones o los neutrones. De hecho, pueden salir de sus respectivas posiciones (¡incluso dejando el átomo por completo!) Con mucha menos energía de la que se necesita para desalojar las partículas en el núcleo. Si esto sucede, el átomo aún conserva su identidad química, pero se produce un desequilibrio importante. Los electrones y protones son únicos en el hecho de que se atraen entre sí a distancia. Es esta atracción sobre la distancia la que causa la atracción entre objetos frotados, donde los electrones se alejan de sus átomos originales para residir alrededor de los átomos de otro objeto.

Los electrones tienden a repeler a otros electrones a distancia, al igual que los protones con otros protones. La única razón por la que los protones se unen en el núcleo de un átomo es debido a una fuerza mucho más fuerte llamada fuerza nuclear fuerte que tiene efecto solo en distancias muy cortas. Debido a este comportamiento de atracción / repulsión entre partículas individuales, se dice que los electrones y protones tienen cargas eléctricas opuestas. Es decir, cada electrón tiene una carga negativa y cada protón una carga positiva. En igual número dentro de un átomo, contrarrestan la presencia del otro de modo que la carga neta dentro del átomo es cero. Por eso la imagen de un átomo de carbono tiene seis electrones:para equilibrar la carga eléctrica de los seis protones en el núcleo. Si los electrones se van o llegan electrones adicionales, la carga eléctrica neta del átomo se desequilibrará, dejando al átomo "cargado" como un todo, haciendo que interactúe con partículas cargadas y otros átomos cargados cercanos. Los neutrones no son atraídos ni repelidos por electrones, protones o incluso otros neutrones y, en consecuencia, se clasifican como sin carga alguna.

El proceso de llegada o salida de electrones es exactamente lo que sucede cuando se frotan ciertas combinaciones de materiales:los electrones de los átomos de un material son forzados por el frotamiento a dejar sus respectivos átomos y transferirse a los átomos del otro material. En otras palabras, los electrones comprenden el "fluido" hipotetizado por Benjamin Franklin.

¿Qué es la electricidad estática?

El resultado de un desequilibrio de este "fluido" (electrones) entre los objetos se llama electricidad estática . Se llama "estático" porque los electrones desplazados tienden a permanecer estacionarios después de ser movidos de un material aislante a otro. En el caso de la cera y la lana, se determinó mediante experimentación adicional que los electrones de la lana se transferían realmente a los átomos de la cera, ¡lo cual es exactamente lo contrario de la conjetura de Franklin! En honor a la designación de Franklin de que la carga de la cera es "negativa" y la carga de la lana es "positiva", se dice que los electrones tienen una influencia de carga "negativa". Por lo tanto, se dice que un objeto cuyos átomos han recibido un excedente de electrones es negativamente cargado, mientras que un objeto cuyos átomos carecen de electrones se dice que es positivamente cargada, por muy confusas que puedan parecer estas designaciones. Cuando se descubrió la verdadera naturaleza del "fluido" eléctrico, la nomenclatura de carga eléctrica de Franklin estaba demasiado bien establecida para ser cambiada fácilmente, por lo que sigue siendo así hasta el día de hoy.

Michael Faraday demostró (1832) que la electricidad estática era la misma que la producida por una batería o un generador. La electricidad estática es, en su mayor parte, una molestia. La pólvora negra y la pólvora sin humo tienen agregado de grafito para evitar la ignición debido a la electricidad estática. Provoca daños en los circuitos semiconductores sensibles. Si bien es posible producir motores alimentados por características de electricidad estática de alto voltaje y baja corriente, esto no es económico. Las pocas aplicaciones prácticas de la electricidad estática incluyen la impresión xerográfica, el filtro de aire electrostático y el generador Van de Graaff de alto voltaje.

REVISAR:

• Todos los materiales están formados por pequeños "bloques de construcción" conocidos como átomos .
• Todos los átomos de origen natural contienen partículas llamadas electrones , protones y neutrones , con la excepción del isótopo de protio ( ₁ H ¹ ) de hidrógeno.
• Los electrones tienen una carga eléctrica negativa (-).
• Los protones tienen una carga eléctrica positiva (+).
• Los neutrones no tienen carga eléctrica.
• Los electrones se pueden desprender de los átomos mucho más fácilmente que los protones o neutrones.
• La cantidad de protones en el núcleo de un átomo determina su identidad como elemento único.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de electricidad estática
• Hoja de trabajo de estructura atómica