6.3 Fuerzas entre cargas
En las simulaciones siguientes puedes observar a la izquierda cómo se atraen dos cuerpos cargados uno positivamente y el otro negativamente, mientras que se repelen dos péndulos electrostáticos cargados positivamente. Nota que cuanto más los acercas, más se separan.
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Actividad
Carga eléctrica
Es una magnitud física cuya unidad en el S.I. es el culombio (C).
La carga del electrón es la unidad elemental de carga eléctrica. La carga del electrón expresada en unidades del sistema internacional S.I. es de -1,6 10-19 C.
La carga de un cuerpo siempre es un múltiplo entero de la carga del electrón.
Actividad de Lectura
Fuerzas entre cargas
Fíjate en la simulación siguiente. Vas a cambiar la magnitud de las dos cargas y la distancia que las separa, y observarás cómo varía la fuerza de interacción entre ellas. Fíjate en que si la distancia es la misma, da igual la posición de una carga respecto de la otra (hay simetría esférica).
a) Asigna a la carga fija y a la móvil un valor de 40 unidades de carga y deja la distancia en 30 cm. Anota el valor de la fuerza.
b) Mueve la carga móvil alrededor de la central manteniendo la distancia. ¿Cómo es el valor de la fuerza entre las cargas?
c) Cambia el valor de la carga fija a 80 unidades de carga. ¿Qué valor toma la fuerza?
d) ¿Y si lo que duplicas es solamente la carga móvil?
e) Prueba ahora a duplicar la distancia entre las cargas.
Justifica cómo varía la fuerza entre las cargas dependiendo del valor de las cargas y de la distancia entre ellas.
Actividad de Lectura
La caja de cargas
Fíjate en el simulador siguiente. Coloca en la zona de trabajo sucesivamente las cuatro distribuciones de cargas posibles, y después todas las partículas móviles que puedes seleccionar.
a) Justifica lo que observes en cada caso.
b) El protón, el neutrón y el electrón son las partículas fundamentales en la estructura atómica de la materia. ¿Qué carga tienen?
c) ¿Y los átomos?
d) ¿Los iones tienen carga?
Conductores y aislantes
En las experiencias de electrización hemos utilizado una varilla de vidrio o una de plástico. ¿Qué hubiera sucedido si hubiéramos utilizado una de metal?
Una varilla metálica no se carga si la sujetamos con la mano y la frotamos. Pero sí lo hace si al frotarla la sujetamos con un mango de vidrio o de plástico y el metal no se toca con la mano.
Esto
se debe a que en un cuerpo neutro las cargas eléctricas se encuentran
distribuidas en una situación de equilibrio. Cuando el cuerpo es electrizado,
pueden ocurrir dos cosas: la primera que las cargas (los electrones) se
distribuyan por todo el cuerpo y la segunda, que las cargas permanezcan en el
lugar donde se depositaron. Los materiales del primer tipo se denominan conductores y los
segundos aislantes.
Los cuerpos en los que las cargas se mueven libremente se llaman conductores.
Los cuerpos que no permiten el movimiento de las cargas en su interior se llaman aislantes.
El que un cuerpo se comporte como un conductor o como un aislante depende de su naturaleza. Así los materiales conductores poseen electrones que pueden moverse fácilmente a lo largo del material, mientras que los aislantes tienen los electrones fuertemente ligados.
Son ejemplo de materiales aislantes la madera, los plásticos, el caucho y el vidrio. Los metales son conductores y algunas disoluciones también (por ejemplo la sal común disuelta en agua).
La distinción entre conductores y aislantes no es absoluta. Existen muchas situaciones intermedias muy interesantes, como la de los materiales semiconductores (por ejemplo, el silicio), debido a su gran importancia en la fabricación de componentes electrónicos.
Actividad de Lectura
Conductores y aislantes
Mediante el siguiente simulador vas a clasificar una serie de materiales en conductores y aislantes. Para conseguirlo, no tienes mas que acercarlos uno a uno a los dos terminales del circuito y ver si la bombilla se enciende o no.
¿Qué tienen en común todos esos materiales conductores?
Objetivos
Rayos y truenos
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Si dos cuerpos están cargados con una gran cantidad de carga eléctrica de signo contrario y están separados por un aislante (un gas), puede producirse una descarga entre los dos cuerpos y se observa una chispa al paso de los electrones a través del gas.
Esto sucede cuando se forma una tormenta. Al calentarse la superficie de la tierra, aparece una corriente de convección en el aire, que se va enfriando hasta condensar el agua que contiene y formar una nube (cúmulo). Por el frotamiento, la parte superior queda cargada positivamente y la inferior negativamente. La superficie de la tierra se carga positivamente por inducción.
Tal y como la carga eléctrica acumulada aumenta, aparecen fuertes descargas entre distintos puntos de una misma nube, entre nubes distintas o entre la nube y la tierra. Esta descarga eléctrica entre la nube y la Tierra recibe el nombre de rayo.
El relámpago es el fenómeno luminoso asociado a un rayo, aunque también suele darse este nombre a las descargas eléctricas producidas entre las nubes.
El calor producido por la descarga eléctrica calienta el aire y lo expande bruscamente dando lugar a un sonido, el trueno.
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El pararrayos
En un conductor cargado, la carga está repartida por la superficie. Si el conductor es esférico, las cargas se reparten uniformemente, pero si tiene puntas, la densidad de carga es mayor en ellas. Este efecto se denomina efecto punta y fue descubierto por Benjamin Franklin.
Una consecuencia de este fenómeno de acumulación de cargas en las puntas es que el aire que las rodea se electriza y permite que se produzca una descarga (chispas eléctricas). Este fenómeno se utiliza en los pararrayos.
El pararrayos consta de una serie de
puntas de material conductor colocadas sobre un edificio. Estas puntas
deben
estar perfectamente conectadas a tierra. Al producirse una tormenta,
por el efecto punta, las cargas eléctricas de la superficie terrestre
se concentran en las puntas del pararrayos y la descarga de la nube se
realiza a través de
ellas.
Precauciones
ante la caída de un rayo
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Refugiarse en un edificio o en un coche cerrados, ya que conducen la electricidad por su parte exterior.
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Alejarse de objetos altos como árboles, postes, antenas, o cualquier objeto elevado.
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Situarse en una zona más baja que el terreno circundante.
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No acostarse; agacharse todo lo posible apoyando en el suelo sólo los pies.
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Alejarse de instalaciones eléctricas.