Estadística Teórica |
LABORATORIO DE FÍSICA: ELECTROSTÁTICA |
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FENÓMENOS ELÉCTRICOS FUNDAMENTALES |
Todos los cuerpos son susceptibles de adquirir, mediante frotamiento, la propiedad de atraer los cuerpos ligeros. Se dice entonces que está electrizado; este estado no es permanente, y cuando recobra el anterior, se dice que se halla en estado neutro. Una varilla de ámbar, ebonita, etc., al ser frotada con un trozo de lana, con piel o con otras sustancias naturales y artificiales adquiere la propiedad de atraer hacia el extremo frotado los cuerpos a los que se aproxima. Naturalmente se trata de una fuerza de atracción muy débil, por lo que para manifestarse requiere que se ejerza sobre cuerpos muy ligeros y móviles, que se hallen próximos al extremo de la varilla, puesto que la fuerza disminuye rápidamente con la distancia. |
PÉNDULO ELÉCTRICO |
Para verificar el estado de electrización se suele utilizar el péndulo eléctrico, formado por una bolita muy ligera de médula de saúco u otra sustancia recubierta de papel de aluminio y suspendida de un hilo de seda. Cuando, al manifestarse la atracción, el péndulo toca la varilla electrizada, se produce una repulsión. Si el péndulo se encuentra bien aislado, puede mantener su estado eléctrico, de modo que al acercarle un cuerpo electrizado, se mantiene una fuerza de atracción o de repulsión. Esta experiencia indica la existencia de dos clases de electrización, que se distinguen como positiva y negativa (a veces vítrea y resinosa, por corresponder al vidrio y a la ebonita), cuyas acciones sobre el péndulo cargado son opuestas. Se observa que:
Péndulo eléctrico |
No todos los cuerpos se electrizan con la misma facilidad, ni manifiestan dicho estado en las mismas condiciones; las resina, gomas, el azufre, el vidrio, etc., se electrizan fácilmente y manifiestan dicho estado aun cuando se los sostenga con la mano directamente; la mayor parte de los cuerpos, y en especial los metales, no manifiestan el estado eléctrico, aunque lo alcancen fácilmente, sino cuando se los sostiene mediante un mango o cubierta de uno de los primeros cuerpos citados. Se dice entonces que está aislado. Todo metal convenientemente aislado, puede electrizarse por frotamiento. Se pueden distinguir dos tipos de cuerpos: unos, como el vidrio, la mica, el lacre, etc., son malos conductores y se les llaman dieléctricos o aisladores porque conservan la electricidad, la aíslan. Los metales, el cuerpo del hombre, el agua, etc. dan paso a la electricidad y son conductores, porque propagan la electricidad. Un conductor electrizado presenta grandes ventajas respecto de un aislador para la investigación de la electricidad. Un conductor puesto en contacto con un cuerpo electrizado, aunque sea solamente por un punto, queda electrizado por entero; y, recíprocamente, basta con poner uno de sus puntos en comunicación con la tierra para que desaparezca el estado eléctrico. La primera aplicación que puede hacerse de este modo singular de portarse los conductores, es la construcción de un aparato para indicar si un cuerpo está o no electrizado. Péndulo eléctrico |
ELECTROSCOPIO |
Los electroscopios son aparatos destinados a reconocer el estado eléctrico de los cuerpos. La forma más conocida es la del electroscopio de panes de oro. Consta de una barra metálica, que atraviesa el tapón aislador de un frasco o campana de vidrio, y que termina exteriormente en una esfera, e interiormente, en dos laminillas de oro (o de aluminio), sumamente delgadas, pendientes de un extremo, las cuales divergen en cuanto se hallan electrizadas. Para ver si un cuerpo está electrizado, se le aproxima a la esfera exterior; su influencia se apreciará en seguida por la divergencia de las láminas. Si se toca la esferilla exterior con una varilla de vidrio no electrizado, las laminillas permanecen indiferentes porque el vidrio es un aislador; pero si se toca con un cuerpo metálico, sin tener la precaución de aislarlo, o simplemente con los dedos, desaparece la divergencia de las laminillas, porque la electricidad que las mantenía separadas se ha propagado a tierra. De esta manera se reconoce inmediatamente que el aire es un aislador, ya que la esferilla del aparato se halla continuamente en contacto con él y, no obstante, las laminillas conservan su divergencia. Electroscopio |
Electroscopio |
Electroscopio, fabricado por Arthur Utz, Berna |
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DISTRIBUCIÓN DE LA ELECTRICIDAD EN LOS CONDUCTORES |
Para reconocer la electrización en los diversos puntos de un conductor, se hace uso del plano de prueba, debido a Coulomb, que consiste en un pequeño disco metálico, sujeto a una varilla aisladora. Tocando con él el conductor cargado y aislado, al retirarlo conserva la carga del punto de contacto, que puede reconocerse mediante un electroscopio. Cada vez que ha de usarse se le debe descargar previamente. En los conductores en equilibrio, la electricidad existe solamente en la superficie externa>. Si la superficie es esférica, la carga es uniforme en toda ella; si no lo es, dicha carga se reparte de modo desigual. La esfera hueca de Coulomb permite observa ese fenómeno. Consiste en una esfera hueca y aislada, que lleva un orificio en su superficie. Se electriza previamente la esfera. Se toca el interior con un plano de prueba, o una hojilla metálica aislada por un mango de vidrio, y acercando esta a un péndulo de saúco, no le atrae; pero tocando un punto cualquiera exterior de la esfera, el plano de prueba aparece electrizado. Es más; si en el estado de electrización se le introduce en la esfera hueca hasta tocar con ella, pierde la electricidad adquirida. Los dos hechos prueban que la electricidad se dirige a la superficie exterior. Esfera de Coulomb |
Los conductores cilíndricos son otro tipo de conductores, utilizados en los laboratorios, para realizar experiencias de electrostática y ver el comportamiento de las cargas eléctricas. A este tipo de conductores se les coloca pendulitos dobles y se observará que divergen. También sirven para ver la electrización por influencia, que es la que se produce en un cuerpo por su proximidad a otro electrizado. Este fenómeno se denomina también inducción; el cuerpo que es causa de la electrización de los demás, se llama inductor, y los que sufren su influencia, inducidos, o electrizados por influencia. Otro accesorio que se les puede incorporar es uno en forma de "peine" para observar el "efecto de las puntas". Se conoce que la carga de un conductor en equilibrio está distribuida sobre su superficie exterior, y para juzgar la forma en que se halla distribuida, se expresa con el nombre de densidad eléctrica en un punto la carga que corresponde a la unidad de superficie alrededor de dicho punto; cuando no se expresa punto determinado, En una esfera aislada, la distribución es uniforme, o la densidad sobre todos sus puntos la misma; pero en los conductores no esféricos, la densidad aumenta hacia los extremos. En general, el valor de la densidad llega al máximo en las partes más salientes o agudas. Efecto de las Puntas, fabricado por Breton |
Efecto de las puntas |
Puntas |
Para que los cuerpos conserven su estado eléctrico, han de ser redondeados y evitar en su superficie las aristas, y, sobre todo, los vértices. Un conductor terminado en punta no puede conservar la electricidad, ya que las cargas se acumularán en ella; y como el aire solamente es un poco aislante si es muy seco, las cargas terminarán marchandose. Así es que los aparatos destinados a retener la electricidad, rematan en superficies esféricas o redondeadas. La acción de las puntas, o sea la propiedad de dar salida a la electricidad, fue descubierta por Franklin, y se aplica en los pararrayos. Estos efectos pueden ponerse de manifiesto mediante distintos aparatos. Entre los más llamativos figura el molinete eléctrico, que consiste en un conductor terminado en puntas móviles dobladas, como los extremos del molinete hidráulico, que previamente cargado posee una fuerte electrización en las puntas y los campos eléctricos originados en las proximidades de sus extremos ionizan el aire circundante. La reacción se manifiesta mediante la rotación de los conductores hasta que las puntas quedan descargadas. Si el conductor termina en hilos, cabellos o laminitas delgadas de papel, etc, al mismo tiempo que se descarga, se erzan éstas, separándose por su divergencia en todas direcciones. Molinete eléctrico. Fabricante: Arthur Utz, Berna |
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Combinado con este aparato tenemos el llamado campanario eléctrico. Está compuesto por un molinete eléctrico que gira una vez se ha cargado eléctricamente. En los distintos brazos hay colgadas, de finos hilos, una pequeñas bolitas que van golpeando a unas campanillas situadas debajo, produciendo diferentes sonidos. 1º. Campanario eléctrico. Fabricante: Arthur Utz, Berna 2º. Efectos electrostáticos. Fabricante: Arthur Utz, Berna |
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Para mostrar los efectos del campo eléctrico sobre un cuerpo cargado se utiliza el llamado granizo eléctrico. Esta experiencia fue debida a Volta, que se relaciona con la explicación que daba sobre la formación del granizo. Mediante una máquina eléctrica se crea un campo eléctrico entre la placa inferior de la campana de cristal y la que está conectada a la esfera superior. La distancia entre las dos placas la podemos variar a voluntad. Entre las placas se colocan pequeñas esferillas. A consecuencia del campo eléctrico creado entre las placas, las pequeñas esferas se mueven hacia la placa de arriba hasta entrar en contacto con él; entonces pierden la carga y caen al fondo para volverse a cargar y repetir el proceso. 1º. Granizo eléctrico. Aparato construido en 1874 2º. Granizo eléctrico. Aparato construido en 1874 |
LEY DE COULOMB |
Si dos cuerpos cargados ejercen la misma fuerza sobre la misma esferilla de saúco y a la misma distancia, se dice que tienen la misma cantidad de electricidad. Si uno de ellos ejerce una fuerza doble, se dice que tiene una carga doble. La fuerza que se manifiesta entre dos cuerpos electrizados varía con la distancia. Para descubrir esta relación debe recurrirse a la experimentación con cuerpos suficientemente pequeños para que puedan considerarse como puntos. De este modo halló Coulomb en 1785 la siguiente ley fundamental: La ley de Coulomb, tal y como ha sido enunciada, no indica la dependencia entre la fuerza y la naturaleza del medio que separa los dos cuerpos cargados. La ley de Coulomb exige, para ser exacta de un modo general, un complemento que fue descubierto por Faraday en 1837. El medio modifica la intensidad de la fuerza que se ejerce entre las cargas. Por ese motivo hay que introducir un factor de proporcionalidad k, que se toma igual a 1 en el sistema electrostático (c.g.s.), es decir, si se expresa F en dinas, d en centímetros, y Q1, Q2 en unidades electrostáticas. De aquí que se ha convenido en elegir como Dicha unidad es muy pequeña para determinadas medidas, por lo cual se usa normalmente, como unidad práctica la correspondiente al Sistema Internacional que equivale a 3x109 veces aquella y recibe el nombre de Culombio. |
ELECTRÓMETROS |
Los electrómetros permiten comparar una carga eléctrica con otra tomada como unidad. Para esto, a los electroscopios se le agrega un cuadrante con divisiones, para la medida de la desviación. Uno de los más usuales es el electrómetro de Kolbe. Consiste en un conductor vertical, aislado en el interior de una caja prismática, al que va unida una laminilla de aluminio por uno de sus extremos, de modo que puede desviarse formando ángulo con él. Dicho conductor termina en una bola metálica. Cuando se electriza el conductor (operando como el electroscopio de panes de oro) la desviación, medida por la escala graduada que recorre su extremo libre, nos da a conocer la magnitud de la carga de aquel. Electrómetro de Kolbe |
El electrómetro de Hanley o de cuadrante consta de una varilla conductora que lleva un semicírculo graduado, de cuyo centro sale un eje móvil (o un hilo) terminado con una bolita de médula de saúco. Cuando se acerca la bolita a un cuerpo electrizado, se carga y según sea la desviación señalada así será la carga adquirida. Electrómetro de Hanley o de cuadrante |
OTROS APARATOS PARA OBSERVAR LOS EFECTOS DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS |
AISLADORES |
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POTENCIAL ELÉCTRICO. CAPACIDAD ELÉCTRICA |
La carga que posee un cuerpo no es suficiente para caracterizar su estado eléctrico. Una misma carga no produce los mismos efectos en varios conductores de formas o dimensiones diferentes. El estado eléctrico de un cuerpo se caracteriza por su potencial. Si con una misma cantidad de electricidad, se carga primero una esfera metálica relativamente pequeña, y luego otra mayor, el potencial eléctrico, o tensión, será mayor en el caso de la esfera pequeña que en el de la grande. Se dice que dos cuerpos electrizados están al mismo potencial cuando al ponerlos n comunicación, mediante un hilo conductor, no se modifica su estado eléctrico respectivo; en el caso contrario, la diferencia de potencial entre ellos da lugar a un transporte de electricidad, a través del hilo de comunicación, hasta que la igualdad se establece. Toda diferencia de potencial puede originar transformaciones de la energía, y supone una fuerza que se llama En general, se puede decir que Si en un recipiente, tal como una esfera de vidrio, se introduce un gas, éste ejerce contra las paredes una cierta presión. Cuanto más gas haya en el recipiente, tanto mayor será su presión. Lo que en la esfera de vidrio es la presión del gas, es la tensión eléctrica en los cuerpos electrizados. En un recipiente lleno de gas aumenta la presión cuando aumenta la cantidad de gas, y disminuye la presión cuando esta cantidad disminuye. Del mismo modo, en un conductor electrizado aumenta la tensión al aumentar la carga, y disminuye cuando disminuye la cantidad de electricidad que el conductor posee. Si una misma cantidad de gas se introduce en recipientes de distintas formas y dimensiones, la presión varía. En el recipiente de mayor volumen, de mayor El cociente de la cantidad de electricidad por la tensión, depende sólo de la forma y magnitud del conductor; a este cociente se le llama capacidad del conductor. La capacidad de un conductor indica, por lo tanto, en qué relación se halla la carga del mismo respecto de su tensión. Se tiene: |
CONDENSADORES |
Reciben el nombre de condensadores los aparatos que sirven para acumular, sobre pequeñas superficies, grandes cantidades de electricidad. Su origen es el siguiente: Ewald G.Van Kleist, obispo de Pomerania (1745), tenía en una de sus manos una botella de mercurio, y en éste una varilla de hierro que atravesaba el tapón de la botella y tocaba el conductor de una máquina eléctrica en movimiento. Con la otra mano tocó distraídamente el conductor, y experimentó una enérgica descarga. Al año siguiente, Cúneus, discípulo de Musschenbroeck, queriendo electrizar el agua de una botella de la misma manera, sufrió el mismo efecto al querer retirar la botella con la mano libre. Más tarde el abate Nollet, profesor del Delfín de Francia, reprodujo el fenómeno, y hasta consiguió hacer sentir la conmoción a 240 guardias del Rey formados en cadena. El experimento fundamental referido indica que en la botella se acumulaba una cantidad de electricidad muy superior a la producida por las máquinas eléctricas. |
El condensador de Aepinus (Franz María Ulrich Theodor Hoch Aepinus, 1759) está formado por dos platillos metálicos iguales, dispuestos verticalmente sobre soportes aisladores, que permiten aproximarlos fácilmente hasta llegar al contacto con las caras opuestas de una lámina de vidrio situada entre ellas. Un platillo se pone en comunicación con una máquina eléctrica por medio de una varilla metálica, se le llama platillo colector; el otro platillo se puede comunicar con el suelo, y se denomina platillo condensador; la distancia entre ambos se varía, por medio de un engranaje. Mediante la lámina de vidrio interpuesta entre los dos platillos se evita la descarga espontánea del aparato. Para cargar un condensador se ponen sus dos armaduras en comunicación, respectivamente, una, con el suelo, y otra, con un generador de electricidad, y una vez alcanzado el potencial conveniente, se corta la comunicación con dicho generador; pero no importa que subsista la comunicación de una armadura (condensador) con el suelo, si la otra está aislada, porque el efecto de la influencia de la carga del colector mantiene el estado eléctrico del condensador. La descarga, o sea, la vuelta de las armaduras al estado neutro, puede hacerse rápida o lentamente. Para la descarga rápida, basta con poner en comunicación las dos armaduras mediante un conductor. Puede ser éste de cualquier forma, o el mismo cuerpo del operador; pero se emplea generalmente una especie de compás curvo, cuyas ramas terminan en esferas y van provistas de mangos de vidrio, que preservan al operador de los efectos de la descarga. Este aparatito se llama excitador eléctrico. Condensador de Aepinus. Fabricado en 1865 |
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Puesta en contacto con una de las armaduras una rama del excitador, se aproxima la otra a la armadura opuesta, y antes de que el contacto se efectúe, se produce la neutralización de las cargas eléctricas, con luz y ruido, osea, mediante la chispa eléctrica; la distancia a la que estalla la chispa y sus efectos varían según sea el potencial alcanzado. Para la descarga lenta, se aísla el condensador y se aproxima alternativamente a una y otra armadura un conductor, que toma carga de una de ellas y origina una pequeña descarga con la opuesta, siendo necesario un número grande de contactos sucesivos para la descarga total. |
BOTELLA DE LEYDEN |
En 1746 el físico holandés Pieter van Musschenbroeck, perteneciente a la Universidad de Leyden, construye el primer condensador, llamándole Botella de Leyden, simultáneamente el mismo aparato fue realizado por el inventor alemán Georg von Kleist. Está constituido por un frasco de vidrio delgado (dieléctrico) forrado exteriormente por una hoja metálica de estaño (armadura exterior) a excepción de la parte superior de la botella. El interior de la botella está relleno de laminillas de latón (armadura interior), desde donde sale una varilla metálica que atraviesa el tapón de corcho que cierra el recipiente. Para evitar la comunicación entre las armaduras, el cuello de la botella está barnizado de goma laca. Para cargar la botella de Leyden, se conecta la varilla a la máquina eléctrica mientras la armadura exterior se pone en contacto con el suelo a través de una cadena. Una vez cargada la botella, si se ponen las dos armaduras en contacto por medio de cualquier conductor, se descargará con una chispa y una explosión. Si se la deja durante algún tiempo se podrán obtener nuevas descargas secundarias de menor intensidad que la primera, hasta que se descargue por completo. 1º. Botella de Leyden, fabricada en 1874 2º. Botella de Leyden, fabricada en 1874 |
BOTELLA DE LEYDEN DE ARMADURAS MÓVILES |
Mientras no se descarga un condensador, las cargas se encuentran en las dos caras de la lámina aisladora. Se puede probar mediante la Botella de armaduras móviles. Difiere de la ordinaria de Leyden en que sus armaduras están constituidas por vasos huecos de latón, entre los cuales se adapta uno de vidrio, que es algo más alto. Se carga la botella como siempre, y se coloca sobre un cuerpo aislador. Con una barra de lacre se separa la armadura interior; con los dedos y por los bordes se saca también el vaso de vidrio, y se tocan las dos armaduras. Reconstruyendo ne nuevo la botella de igual forma, se descarga con el excitador, y sale una chispa. Se ve, por lo tanto, que la carga eléctrica residía en el vidrio. Botella de Leyden de armaduras móviles, fabricada entre 1860-1890 |
Como ya se ha dicho anteriormente, el excitador era uno de los aparatos clásicos para descargar los cuerpos o mostrar los efectos de una descarga eléctrica. El excitador universal de Hanley se utilizaba con este fin e incluso para ver el efecto que producían las descargas sobre pequeños seres vivos. Está formado por dos columnas de vidrio, provistas cada una en su parte superior de un anillo o tubo por donde entra deslizando una varilla de latón terminada en esfera; entre ambas columnas se halla un pedestal aislante, para colocar el objeto que ha de ser atravesado por la chispa. Situado el cuerpo sobre el pedestal, se aproximan los extremos de las varillas cuanto sea necesario, poniendo una de ellas en comunicación, por medio de una cadena, con la armadura exterior de una batería; se toca luego con una rama del excitador de mangos de vidrio la armadura interior, llevando la otra a la varilla opuesta, e inmediatamente salta la chispa entre las dos varillas, recibiendo el cuerpo la descarga. A veces el cuerpo colocado era un metal muy fino, comprobándose, tras la descarga, cómo éste era fundido debido a la enorme resistencia eléctrica que oponía al paso de la carga. Excitador eléctrico universal de Hanley, fabricado en 1874 |
Laboratorio de Física del Instituto de Primera Clase del Noviciado (actual Instituto del Cardenal Cisneros), que 1847 dejó de formar un sólo cuerpo con la Facultad de Filosofía de la Universidad Literaria de Madrid. Posteriormente, con la Gloriosa Revolución de 1868, conviviendo con la Universidad Central, es el escaparate de las reformas pedagógicas que se deseaban introducir en la Segunda Enseñanza. Este trabajo no hubiera sido posible sin el profesor y amigo, don Francisco Ruiz Collantes. |
IES. CARDENAL CISNEROS |