APLICACIÓN DEL MODELO DE CARGAS


 

Seguidamente se aplica el modelo cargas para interpretar algunos hechos de la electricidad estática.

 
Tipos de carga
 

Se sabe que al frotar una barra de ebonita con un paño de piel de gato se produce un trasvase de electrones de la piel a la barra, mientras que, si la barra frotada es de vidrio, el trasvase de electrones tiene lugar en sentido contrario, es decir, desde la barra hacia el paño. El modelo de cargas prevé que, tras el frotamiento, la barra de ebonita adquiere carga negativa y la barra de vidrio adquiere carga positiva. En todos los casos, el objeto frotado y el frotador adquieren cargas de signo contrario y, por tanto, se atraen.

 

 
Conductores y aislantes
 

En un día seco una varilla de ebonita o un globo de caucho, que han sido frotados con piel, permanecen cargados durante varios minutos. En cambio, una varilla metálica cargada pierde su carga instantáneamente al tocarla. La diferencia radica en la capacidad que tienen los electrones de moverse a través de diferentes materiales. El metal es un material conductor y la ebonita y el caucho son materiales aislantes.

 

 

La facilidad de movimiento de las cargas a través de los metales es consecuencia del tipo de enlace químico que determina su estructura. El enlace metálico conforma una red de iones positivos entre los cuales existen "bandas de electrones". Estos electrones se pueden mover con bastante facilidad a través del conductor y también pueden pasar de un material a otro. El hecho se puede poner en evidencia con el experimento mostrado en la figura adjunta, donde se observa que la barra metálica transmite la fuerza de atracción entre una barra con carga negativa (a la izquierda) y una esferita con carga positiva (a la derecha).

 

El grado con el que los electrones tienen libertad de movimiento en un material se describe con su conductividad. Esta propiedad varía enormemente entre los materiales, pues, por ejemplo, los metales permiten que las cargas se muevan unas 1023 veces más fácilmente que los aislantes comunes, como el vidrio. Otros materiales, llamados semiconductores, tienen una cantidad intermedia de electrones móviles por átomo.

 
Atracción entre un objeto cargado y otro neutro
 

 

En la figura adjunta se ve un ejemplo de cómo entre un cuerpo cargado y otro neutro se ejerce una fuerza eléctrica de atracción. En la situación planteada se supone que la barra se había cargado previamente por frotamiento, adquiriendo carga negativa, y que la esferita del péndulo eléctrico era inicialmente neutra. Entonces, al acercar la barra a la esferita (sin llegar a tocarla) los electrones que hay en exceso en el borde de la barra repelen a los más próximos de la esferita y los desplazan alejándolos de la parte más próxima a la barra (los electrones se mueven por la esferita con relativa facilidad, al ser ésta metálica).  Como consecuencia, en esa zona de la superficie de la esfera queda un exceso de carga positiva (por falta de electrones) y se produce un efecto neto de atracción entre la barra y la esferita.

 

El proceso que, en este caso, ha cargado negativamente una zona de la esferita se llama inducción. Se ha de tener en cuenta que en la inducción solo es arrastrada una pequeña parte de los electrones con capacidad de movimiento. Tan pronto como se producen cargas inducidas, ellas también ejercen fuerzas sobre los electrones libres situados en el interior de la esfera y en un tiempo extremadamente pequeño el sistema alcanza un estado de equilibrio, cuando en cada punto del interior de la esfera, la fuerza que la barra cargada ejerce sobre un electrón queda equilibrada por una fuerza opuesta producida por las cargas inducidas.

 
Repulsión después de que un objeto cargado toca a otro neutro
 

 

 

 

La secuencia de dibujos adjuntos explica el proceso por el que  al tocar un cuerpo cargado con otro neutro, se produce en ocasiones una repulsión. Mientras se aproxima la barra de ebonita cargada negativamente a la esferita, se induce en ella carga positiva en la zona próxima a la barra y carga negativa en la zona opuesta (figura izquierda). En el momento del contacto de la barra con la esferita puede haber un trasvase de electrones de la ebonita a la esferita (figura central). Como consecuencia de dicho trasvase se enfrentan cargas del mismo signo (en este caso negativas) y se produce la repulsión (figura derecha).

 
Carga por inducción de dos esferas
 
 

Terminamos estos ejemplos de aplicación del modelo de cargas mostrando un proceso adecuado para cargar por inducción a dos esferas metálicas con cargas de signo opuesto.  Se dispone de inicialmente de las dos esferas metálicas, neutras, en contacto, y sostenidas por pies aislantes (1). Cuando una barra de ebonita cargada negativamente se aproxima a una de las esferas, pero sin llegar a tocarla, los electrones libres de las esferas metálicas son repelidos y toda la nube de gas electrónico contenido en el interior de las esferas se desplaza ligeramente hacia la derecha, alejándose de la barra. Como los electrones no pueden escapar de las esferas, en la superficie de la esfera de la derecha, mas alejada de la barra, se acumula un exceso de carga negativa. Esto origina una pérdida de carga negativa (por tanto, un exceso de carga positiva) en la superficie más próxima a la barra de la esfera de la izquierda (2). Las cargas inducidas permanecen sobre las superficies de las esferas mientras se mantenga cerca la barra de ebonita (si ésta se aleja, la nube de electrones de las esferas se desplaza hacia la izquierda y se restablece el estado neutro inicial). Teniéndolo en cuenta, se desplazan ligeramente las esferas  mientras se mantiene la barra cerca la barra de ebonita. Así quedan dos esferas metálicas cargadas con cargas opuestas (3). Cómo se atraen entre sí, permanecen tan próximas como les sea posible (4), y solo cuando ambas esferas estén separadas lo suficiente, las cargas se distribuyen uniformemente en cada esfera (5).

 
Experiencias sobre fuerzas eléctricas con cintas adhesivas
 

Para contribuir a que se afiance la apropiación por los alumnos del modelo de cargas, conviene realizar en el aula o en el laboratorio de física diversas experiencias. Como alternativa y/o complemento a las que acabamos de relatar, aconsejamos que se realicen también experiencias como las que encontramos en una demostración, disponible en la página Web de la Facultad de Física de la Universidad de Valencia (aquí). En este magnífico trabajo, las profesoras Chantal Ferrer Roca y Ana Cross Stötter enseñan cómo se pueden usar cintas adhesivas para mostrar cualitativa y cuantitativamente la atracción y repulsión entre cargas eléctricas, así como la atracción por conductores o dieléctricos neutros.