TEMA 4

ELECTRICIDAD

1. Otra propiedad de la materia: la electricidad.• Tales de Mileto (640-546 a.C.) observó que un trozo de ámbar

(elektron en griego), previamente frotado con una tela, atraía plumas pequeñas y trocitos de paja.

• William Gilbert, a finales del siglo XVI, clasificó las sustancias en conductoras y aislantes, comprendió la diferencia entre electricidad y magnetismo y explicó el comportamiento de las brújulas.

• Charles du Fay, en 1733, sugiere la existencia de dos tipos de electricidad a las que llama vítrea y resinosa.

• En 1746, Peter van Musschenbroek, que trabajaba en la Universidad de Leiden (Holanda), consiguió almacenar electricidad en una botella con agua: botella de Leyden.

El signo de la electricidad:

• Benjamin Franklin, siglo XVIII, sugirió un modelo basado en la existencia de un fluido eléctrico, para explicar lo que en la época se conocía de la electricidad: propuso que todos los cuerpos tienen una cantidad “normal” de fluido eléctrico y que cuando se frotaban, parte de él pasaba de uno a otro.

• Un cuerpo quedaba cargado con cierta electricidad positiva, y el otro con la misma cantidad negativa. Decidió de forma arbitraria llamar positiva a la electricidad vítrea de Du Fay y negativa a la resinosa.

2. El descubrimiento del electrón

• El experimento de Thomson: En 1897 el físico inglés estudiaba el comportamiento de ciertos gases, a muy baja presión, cuando se encontraban entre dos placas metálicas cargadas con signos contrarios.

• El recipiente se llama tubo de rayos catódicos.

• Las placas cargadas se llaman electrodos.

• Electrodo negativo: cátodo.• Electrodo positivo: ánodo.

Thomson dedujo que se emitía una radiación constituida por partículas con masa y carga negativa, a la que llamó rayos catódicos.

• Los rayos catódicos eran exactamente iguales, independientemente de la sustancia gaseosa del recipiente.

• Estas partículas, por tanto, se encontraban en el interior de toda la materia. Recibieron el nombre de electrones.

• Toda la materia contiene partículas portadoras de la electricidad.

• La electricidad es una propiedad de toda la materia.

• La electrización de la materia se debe a la transferencia de electrones de un cuerpo a otros.

1. Un cuerpo con exceso de electrones: carga negativa.2. Un cuerpo que pierde electrones: carga positiva.

Explicación de la electrización por frotamiento

3. La carga eléctrica. Interacciones entre cargas.• Para medir la electricidad definimos la carga eléctrica cuya unidad

en el SI es el culombio (C).

• Principio de conservación de la carga: en un sistema aislado, la carga neta se conserva.

• Campo eléctrico: espacio que tiene sus propiedades alteradas por la presencia de un campo eléctrico. Se representa por las llamadas líneas de fuerza:

Interacciones entre cargas. La ley de Coulomb.

• Cualquier carga eléctrica atrae o repele a todas las que le rodean.• La fuerza con que interaccionan (se atraen o se repelen) dos

cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

• F es la fuerza (atractiva o repulsiva) expresada en newtons.• q1y q2 son las cargas en culombios• d distancia en metros.• K constante de proporcionalidad, que el vacío es 9·109

221

dqqKF ⋅⋅=

La ley de Coulomb

La carga y la masa del electrón

• Es frecuente utilizar la carga del electrón como unidad elemental de carga.

• Carga de un electrón:

• Masa de un electrón:

Cqe19106,1 −⋅=

kgme3110109,9 −⋅=

4. Instrumentos de detección y medida

• Medida de la interacción eléctrica: BALANZA DE TORSIÓN.

• Si la varilla gira, el hilo tiende a regresarla a su posición inicial. Finalmente, se alcanza un equilibrio, formando un ángulo con la posición inicial. Este ángulo es proporcional a la fuerza que tuerce el hilo.

Identificación y medida de la carga eléctrica• Electroscopio: aparato que se

utiliza para medir la carga eléctrica.

• Cuando tocamos la esfera metálica con un cuerpo cargado, las láminas de oro se repelen entre sí, al quedar cargadas con electricidad del mismo signo. Podemos determinar si un cuerpo está cargado y medir esa carga, ya que el ángulo de separación de las laminillas es proporcional a la carga suministrada.

El electroscopio se puede utilizar de dos maneras: tocando la esfera superior con el cuerpo eléctricamente cargado, o acercándolo sin tocarla.

• Conducción • Inducción

5. La electrización en nuestra vida

• Las manifestaciones eléctricas de la materia se deben a la electrización. Pero ¿cómo puede electrizarse, por ejemplo, la carrocería de un coche? Durante su movimiento sufre una continua fricción con el aire. Se trata, por tanto, de una electrización por frotamiento.

• Naturaleza eléctrica de los rayos• Es una de las descargas electrostáticas de mayor

intensidad• Se originan cuando hay zonas con diferente carga

eléctrica dentro de una nube, entre dos nubes o entre una nube y la superficie de la Tierra.

Los cristales más pequeños y ligeros ascienden a la parte superior de la nube y quedan con carga positiva, y los más pesados en la parte baja con carga negativa.

• Esta carga negativa de la parte inferior de la nube provoca, por inducción que la superficie de la Tierra quede con carga positiva. A partir de esta situación puede surgir el rayo.

Si una guía positiva se une a una negativa se produce la descarga de la parte negativa de la nube: el rayo.

• Es entonces cuando se produce la brillante luz del relámpago. El calor generado eleva la temperatura del aire circundante hasta los 30000ºC, y esto provoca su rápida expansión. Al mezclarse con el aire del entorno se enfría y se contrae. Esta rápida contracción y expansión produce ondas sonoras: el trueno, que se propaga a 340 m/s.

• Pararrayos: las puntas agudas, puestas en contacto con la tierra, tienen la propiedad de descargar los cuerpos electrizados cercanos y dieron lugar a los pararrayos.

• Caja de Faraday: cuando cargamos un cuerpo metálico, la carga eléctrica se distribuye por su superficie; por eso, si el metal forma una caja cerrada, en su interior no habrá cargas, ni fenómenos eléctricos.