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DEOGRACIENCIA

2. ELECTROSTÁTICA
Al estudio de las cargas eléctricas en reposo se le denomina electrostática. Los cuerpos cargados electrostática mente tienen la facultad de atraer o repeler otros cuerpos. Existen dos tipos de carga eléctricas: la positiva y la negativa, se aduce un cuerpo cargado positivamente cuando tiene deficiencia de electrones, si dos cuerpos están cargados con la misma polaridad es decir positivamente o negativamente se repelen, pero si uno de los dos tiene carga positiva y el otro negativa se atraen.
2.1 EL ELECTRÓN
Todas las cosas del universo están integradas por átomos, el átomo está formado de un núcleo muy denso de protones cargado positivamente, de neutrones sin carga y de electrones muy livianos cargados negativamente con igual intensidad de carga que la de los protones. La física cuántica estudia estos fenómenos y ha descubierto que la carga eléctrica del electrón es de e=1.602*10^-19Coul)
Ionización
La Ionización consiste en el escape de electrones de la última órbita de un átomo. Un electrón se puede escapar de su órbita cuando recibe un exceso de energía por: contacto (un conductor metálico con exceso de electrones toca otro conductor neutro), rozamiento (frotando un material se extraen algunos electrones del material), influencia (inducción electrostática), efecto termoiónico (ionización producida por calor), efecto fotoeléctrico (ionización producida por la luz) y efecto piezo eléctrico (al comprimir cristales de cuarzo). Los metales se consideran buenos conductores de la energía, porque permiten una buena ionización, es decir los electrones de las últimas órbitas tienen una fuerza de atracción muy pequeña hacia el núcleo y se pueden escapar fácilmente, en las tormentas eléctricas se recomienda despojarse de todo tipo de metales, mientras se esté en la intemperie.
Malos conductores de la Energía
El caucho, el corcho, el plástico, la madera seca y el vidrio entre otros se consideran malos conductores de la electricidad porque tienen una mala ionización es decir los electrones de las últimas órbitas tienen una fuerza de atracción muy grande hacia núcleo y no se pueden escapar de sus órbitas, en algunos casos aplicando altas temperatura se hacen buenos conductores.
Semi conductores de la Energía
Al silicio y al germanio se les conoce como materiales semiconductores porque tienen muy pocos electrones libres y tienen mayor aplicación de ionización con corriente continua, estos dos elementos dieron paso al nacimiento de la electrónica.
Conductores intermedios de la Energía
Existen otros elementos como el fósforo y el Fluor que tienen niveles intermedios de energía y al ionizarse, los electrones pasan de un nivel al otro permitiendo retener una luminiscencia por un tiempo determinado.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Fricción: inicialmente se demostró frotando bakelita con lana, en las escuelas se practica frotando un peine con un paño y la carga se prueba al recoger papelillos, los equipos de cómputo requieren una línea a tierra para fluir las cargas producidas en el interior de los equipos, los vehículos, los árboles y las nubes entre otros se cargan por acción del viento, se pueden producir grandes arcos eléctricos (rayos), un bebe puede ser víctima al recibir descargas de una persona cargada electrostática mente, causándole el llamado mal de ojo. Al fenómeno de electrificación por fricción también se le llama triboelectricidad.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Calor: cuando circula una corriente eléctrica por el empalme de dos metales de diferente naturaleza se genera calor (RI²) y viceversa si se le aplica calor circulara una corriente, a este fenómeno se le llama efecto peltier, y tiene aplicación en las termocuplas.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Presión: al presionar algunos materiales como los piezo eléctricos (cuarzos), turmalina o sales de Rochelle se genera electricidad.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Luz: algunos materiales fotoeléctricos fabricados con selenio y otros elementos que reaccionan con la luz, generan una pequeña corriente eléctrica, este tipo de energía está siendo muy utilizado y está desplazando otros tipos de generación de energía.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Reacción Química: las pilas o acumuladores de energía generan una corriente eléctrica que circula de acuerdo a la carga, existen alcalinas o ácidas, las mejores baterías son la de litio.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Magnetismo: cuando se colocan imanes en movimiento dentro de conductores eléctricos se excitan los electrones libres desplazándose a través del conductor generando energía, en los motores estas partes son: el rotor y el estator, cuando se le aplica movimiento al rotor se induce un voltaje en el estator.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Termo Eléctrica: (combustión de elementos fósiles u otros elementos): aprovecha el calor para producir vapor, con el cual se puede mover el rotor.
Descripción generalizada de algunos métodos de generar energía eléctrica.
Termonuclear: (la fisión nuclear del uranio 235 que libera una gran cantidad de energía térmica y la fusión nuclear de la unión de los núcleos de átomos de hidrógeno(+) con isótopos (deuterio(-), tritio(-)) que generan átomos más pesados, lo que se aprovecha para producir vapor, con el cual se puede mover el rotor.

Otto Hahn y Strasmman bombardearon el núcleo de Uranio partiéndolo en dos partes el Bario (Ba56) y el Lantano (La 57) se expulsaron Neutrones y una gran energía.

Albert Einstein concluyó “La masa que falta se convirtió en energía y la energía conseguida con la masa es: E = mC²”. C es la velocidad de la luz = 300.000 Km/seg
La materia se puede convertir en energía y la energía en materia, pero la masa total y la energía permanecen constantes.
Eólica: aprovecha la acción del viento para mover el rotor, (los molinos de viento).

Marítima: las olas crean la acción del flujo del agua para mover el rotor.

Hidroeléctricas: muy populares donde abundan los ríos, se inundan grandes regiones formando las represas, las cuales tienen un desagüe que va a las turbinas las cuales mueven el rotor, en los terminales del estator se obtiene un alto voltaje.

Sin embargo la generación de energía crea procesos irreversibles de contaminación y destrucción, generando: anhídrido sulfúrico, dióxido de carbono, gas carbónico, metanos, desechos tóxicos, radiación y residuos radiactivos entre otros. A esto se suma el consumo indiscriminado del cigarrillo, los incendios forestales y la deforestación, creando un calentamiento avanzado de la madre tierra, lo que convierte al ser humano en destructor de su propio mundo
Materia
La materia se encuentra en 4 estados: sólido, líquido, gaseoso y plasma; la materia está conformada por átomos y moléculas, la palabra átomo viene del griego Átomos que significa indivisible, en los sólidos estos átomos se mantienen en posiciones específicas unos respecto a otros unidos por diferentes fuerzas, principalmente de origen eléctrico vibrando alrededor de estas posiciones de equilibrio debido a la agitación térmica. A bajas temperaturas estas vibraciones son pequeñas y los átomos están casi fijos. Tomo como base el modelo atómico del físico Danes Niels Bohr (1913) donde propone un movimiento similar al del sistema solar; los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas elípticas. El núcleo está compuesto principalmente por protones y neutrones con una carga eléctrica neta positiva, alrededor del núcleo y con carga eléctrica negativa, están los electrones. De similar forma existe entre estos sistemas, fuerzas que atraen o separan electrones o planetas. Sir Isaac Newton se atrevió a describir este comportamiento con una fórmula: "La ley de la gravitación Universal"

“Toda partícula material del universo atrae a cualquier otra partícula, con una fuerza directamente proporcional al producto de las masas de ambas partículas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa”

Siendo m₁ y m₂ las masas de la partículas o cuerpos grandes, r la distancia que existe entre los dos y G, es la constante de Henry Cavendich. G= 6.6710^-11 N.M²/Kg² "la constante de Cavendish vino a ser demostrada en la práctica a los 111 años con el uso de la Balanza de Coulomb" De la misma manera Newton pudo atreverse a calcular la aceleración de la gravedad de cualquier cuerpo grande o pequeño, partiendo de la siguiente fórmula: fuerza es igual a masa por aceleración F = ma Y la energía potencial W es igual a la masa por la gravedad W = mg Por lo que se puede igualar la energía potencial a la ley de Coulomb W= F_g =mg = Gmm /d² g = Gm /d² Se realiza la respectiva igualdad, se cancelan las masas, quedando solo la masa propia se obtiene la aceleración de la gravedad aplicable a cualquier cuerpo. Ejemplo: Calcular la aceleración de la gravedad de la tierra, si la masa de la tierra es: m_T = 5975 10²⁴ Kg, el radio ecuatorial de la tierra es r_T: 6371 Km g _T = 6,6710^-11 N.m²/Kg² * 5975*10²⁴ Kg/(6371 Km)² Verificando las unidades en la segunda unidad se obtiene g _T = 9.818576 m/s² El objetivo de mostrar la parte física del macro mundo es permitir dejar la evidencia que lo que se cumple en lo más grande también se cumple en los más pequeño.	Balanza de Coulomb

2.2 CARGA ELÉCTRICA
Una formula muy parecida a la ley de gravitación Universal desarrolló Charles Agustin Coulomb la Fuerza de atracción o repunción entre dos cargas. Considerando la ionización de los materiales conductores como los metales y recurriendo a la fuerza de interacción entre dos cuerpos cargables electrostática mente (ionizables), cuyas dimensiones son despreciables con la distancia r que las separa, Coulomb describe su ley F_e, de la siguiente forma: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa” plasmando lo anterior en la siguiente fórmula:
K es la constante de proporcionalidad, K= 8.98742*10⁹ New.m²/Coul².
La constante de proporcionalidad es perfectamente igualable a: K = 1 / 4pe_o e_o se denomina la constante de permitividad del vació. e_o = 8.85*10^-12 C²/N.m²
Ejemplos
Hallar la fuerza resultante sobre la carga 2 si; q₁ = 1 µC, q₂ = -4 µC, r = 0.6m
2.3. ELECTRICIDAD ESTÁTICA
La electricidad estática no tiene un flujo de electrones desplazándose por un conductor, se manifiesta en superficies cargadas electrostática mente, ya sea por fricción o descarga de otros cuerpos, algunas veces se manifiesta creando campos magnéticos en espacios determinados conocidos como fenómenos fantasmagóricos.

Los carros que transportan gasolina se van cargando (ionizando) con la fricción del viento, y va distribuyendo toda la carga al rededor de la lámina que contiene la gasolina, esta carga puede producir chispas y estas pueden encender la gasolina, por esta razón llevan una cadena en la parte trasera para descargar o aterrizar la carga electrostática adquirida.

Los carros que frecuentan ir de una ciudad a otra deben llevar una cinta antielectrostática en la parte trasera que haga contacto con la tierra.

Al tocar el monitor de un computador en el momento de arrancar o al escuchar un sonido parecido a Pzzzsss, en este momento la pantalla se está polarizando y descargará una gran cantidad de energía electrostática, es posible que no la sienta en el momento pero al saludar a otra persona le descargará esta energía.

El electroscopio: Se compone de dos pequeñas láminas de un metal liviano, van articuladas en la punta inferior de un tubo de plástico el cual sale a la superficie, por donde se cargará electrostática mente distribuyendo cargas de igual polaridad a las láminas, las cuales se repelerán, entre más carga más separación, aparato con el cual Charles Agustin Coulomb demuestra la fuerza de interacción entre dos cargas.

El generador de Van de Graaff : Se le aplica carga electrostática con un generador a una cinta de caucho la cual está pegada a un motor que la hace rotar, al meterse dentro de la esfera metálica la carga se pasa a la esfera, también ayuda el contacto de la esfera contra la cinta de caucho, si una persona lacia y de cabellos largos y secos toca la esfera, sus cabellos se erizarán

Los cuerpos pequeños pueden moverse cuando adquieren carga eléctrica, La carga de una partícula la describe la siguiente formula q = i * t carga eléctrica es igual a intensidad de corriente (amp) por tiempo (seg)
Línea a tierra
La línea a tierra es un circuito eléctrico que termina en una varilla de cobre enterrada en el patio, para dirigir allí los rayos, los campos electrostáticos no deseados, las descargas eléctricas, las corrientes remanentes; de esta forma se protegen los equipos electrodomésticos o equipos que necesitan protección como los computadores.

ejemplo cuantos electrones pasan a través de un conductor, si una corriente estacionaria de 200 mA fluye durante 2 minutos. q = 0.200 (Am) * 2 * (60) seg = 24 Coulombios

Ejemplo: cuál es la fuerza de atracción gravitacional entre dos electrones separados 1 mm y la fuerza se separación electrostática entre ellos?, F_g =?, F_e =?. La masa del electrón m_e = 9.110^-31 Kg, la carga del electrón e^- = 1.610^-19 Coul
La fuerza de atracción
Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·10⁹ Nm²/C². S puede observar que la ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal
El electroscopio consta de dos láminas delgadas de oro o aluminio A que están fijas en el extremo de una varilla metálica B que pasa a través de un soporte C de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas.

Un modelo simplificado de electroscopio consiste en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud d, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo q que forma una bolita con la vertical, se calcula su carga q.
Sobre cada carga actúan tres fuerzas El peso mg La tensión de la cuerda T La fuerza F de repulsión eléctrica entre las cargas En el equilibrio Tsenq =F Tcosq =mg Conocido el ángulo θ determinar la carga q Dividiendo la primera ecuación entre la segunda, eliminamos la tensión T y se obtiene F=mg·tanθ Midiendo el ángulo θ se obtiene la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas.

En el apartado anterior, se ha utilizado la ley de Coulomb para determinar la carga q de una pequeña esfera. En este apartado, se sugiere un experimento que permite verificar la ley de Coulomb. Sea r₁ la separación de equilibrio entre dos pequeñas esferas iguales cargadas con la misma carga q. La fuerza F₁ de repulsión vale, de acuerdo con la ley de Coulomb. De la condiciones de equilibrio estudiadas en el apartado que describe el electroscopio, Tsenq ₁=F₁ Tcosq ₁=mg establece la relación entre el peso de la esfera mg y la fuerza de repulsión, F₁=mg·tanθ₁ Si descargamos una de las dos esferas, y las ponemos a continuación en contacto con la esfera cargada con carga q. Cada una de las pequeñas esferas habrá adquirido una carga q/2. Las esferas se repelen, en el equilibrio su separación será menor r₂. De la condiciones de equilibrio se tiene que, F₂=mg·tanθ₂ Dividiendo la primera expresión entre la segunda, llegamos a la siguiente relación Midiendo los ángulos θ₁ y θ₂y las separaciones entre las cargas r₁ y r₂ podemos verificar la ley de Coulomb. Los ángulos θ son difíciles de medir, de modo que si los hilos de longitud d que sostienen las pequeñas esferas son largos para que los ángulos de desviación sean pequeños, podemos hacer la siguiente aproximación La relación entre ángulos y separaciones se transforma en otra mucho más simple. De este modo, midiendo solamente las separaciones r₁ y r₂ entre las cargas, en las dos situaciones mostradas en la figura, se puede verificar que se cumple la ley de Coulomb. La ley de Coulomb describe la interacción entre dos cargas eléctricas del mismo o de distinto signo. La fuerza que ejerce la carga Q sobre otra carga q situada a una distancia r es. La fuerza F es repulsiva si las cargas son del mismo signo y es atractiva si las cargas son de signo contrario.

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Cartilla Virtual Web Oficial, 2005. Carlos Arturo Echeverri M