campo eléctrico y propiedades eléctricas de la materia - Novella

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“libro_ffi” — 2008/8/5 — 9:06 — page 12 — #28 12 FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INGENIERÍA Tabla 1.2: Serie triboeléctrica (el algodón es el material de referencia). Materiales electronegativos ↑ Algodón (Referencia) Teflón Papel Silicio Aluminio Poliéster Seda Oro Piel Cobre Lana Caucho Vidrio Ámbar Manos Acero Aire Algodón (Referencia) Materiales . ↓ electropositivos Ya se ha dejado entrever que el proceso de electrización no sólo se produce por efecto triboeléctrico, sino que al poner en contacto un elemento cargado con otro descargado se transfieren cargas entre ellos (lo que permite cargar objetos conductores) haciendo que ambos resulten electrizados con el mismo tipo de carga. A este proceso se le conoce como electrización por contacto, según se muestra en la Figura 1.4(c) Existe una tercera forma de electrización, denominada electrización por inducción, que se produce sin necesidad de contacto entre materiales y se debe a las fuerzas de Coulomb ejercidas por un objeto cargado sobre los electrones de otro objeto descargado, como puede verse en la Figura 1.4(b). Este efecto es muy claro cuando un conductor descargado se sitúa en las inmediaciones de un objeto cargado, pues éste atraerá o repelerá a los electrones del conductor provocando que éstos se concentren en uno de sus extremos dando lugar a un desequilibrio local, aunque el objeto siga siendo eléctricamente neutro. Más adelante se verá que este fenómeno resulta fundamental en la polarización de aislantes, en la carga de dispositivos denominados condensadores o en la actuación de elementos electrónicos como los denominados transistores de efecto campo. (a) (b) Figura 1.5: Dispositivos electrostáticos: (a) electroscopio, (b) balanza de torsión electrostática. .
“libro_ffi” — 2008/8/5 — 9:06 — page 13 — #29 CAPÍTULO 1. CAMPO ELÉCTRICO Y PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LA MATERIA 13 Un dispositivo que utiliza los mecanismos de electrización estudiados anteriormente es el electroscopio. Este instrumento fue inventado por el médico inglés William Gilbert (1544-1603) para experimentar con las cargas electrostáticas y permite comprobar la presencia de un objeto electrizado, su carga eléctrica y el signo de la misma. Como se aprecia en la Figura 1.5(a), este aparato consiste en una varilla metálica aislada que tiene conectadas en uno de sus extremos dos láminas metálicas delgadas que pueden girar respecto de ese extremo. El otro extremo es el terminal de carga y suele ser esférico para mejorar sus características electrostáticas, ya que las cargas eléctricas tienden a concentrarse en zonas puntiagudas o de radio de curvatura pequeño. La varilla se introduce en una botella de vidrio transparente que hace de aislamiento. El funcionamiento del electroscopio es sencillo una vez que se conoce el comportamiento de las cargas eléctricas. Al poner un objeto cargado en contacto con el extremo de la varilla metálica, ésta se electriza por contacto. Sin embargo, como es conductora, entonces la carga se distribuye por todo el volumen metálico, láminas incluidas. Debido a que ambas láminas tienen el mismo tipo de carga, según la ley de Coulomb que se verá a continuación, se repelerán entre sí distanciándose una de la otra por el extremo libre hasta adquirir un ángulo tal que la fuerza de repulsión equilibre el efecto mecánico del peso de las láminas, por lo que el ángulo de abertura de las láminas dependerá de la cantidad de carga que se haya desplazado a ellas. Además, si se electriza previamente la varilla con una serie de cargas conocidas, es posible calibrar el electroscopio. 1.4. Fuerzas y ley de Coulomb Varias experiencias evidencian la existencia de fuerzas de origen eléctrico. Por ejemplo, las experiencias de la atracción de pequeñas partículas mediante materiales electrificados o la de repulsión en las láminas de un electroscopio constatan no sólo la existencia de dichas fuerzas, sino que pueden ser de signos opuestos, de atracción o de repulsión. Fue el físico e ingeniero militar francés Charles A. Coulomb, buen conocedor de los esfuerzos mecánicos en hilos y vigas, quien utilizó una balanza de torsión para medir las fuerzas de atracción y repulsión electrostática, publicando en 1785 la ley que lleva su nombre. Entre sus conclusiones, establece que la atracción o repulsión electrostática dependen de la desigualdad o igualdad del signo de las cargas respectivas de los materiales que interactúan. La balanza utilizada se muestra, de forma esquemática, en la Figura 1.5(b) y consta de dos esferas equilibradas en peso unidas por una barra y suspendidas por un hilo cuya torsión era conocida (la relación entre el par de torsión y el giro observado). Si se carga una de estas esferas y frente a ella se sitúa otra esfera cargada, entonces es posible medir el giro del hilo a que da lugar la interacción electrostática entre esas esferas. A partir de una serie de medidas de la torsión del hilo provocada por diversas cargas, Coulomb pudo llegar a las conclusiones conocidas por la ley que lleva su nombre.
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