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APLICACIÓN DEL MODELO DE CARGAS |
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Seguidamente se
aplica el modelo cargas
para interpretar algunos hechos de la
electricidad estática.
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Tipos de carga |
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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. |
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Conductores y aislantes |
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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. |
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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). |
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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. |
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Atracción entre un objeto
cargado y otro neutro |
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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. |
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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. |
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Repulsión después de que un
objeto cargado toca a otro neutro |
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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). |
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Carga por inducción de dos
esferas |
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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). |
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Experiencias sobre fuerzas
eléctricas con cintas adhesivas |
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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. |
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