Capítulo 07: Carga Eléctrica

• Descripción: Se frota una varilla de ámbar (o silicona/metacrilato) con piel o cuero y luego se acerca a pequeños trozos de papel.

• Procedimiento:

1. 1. Frotar una varilla de ámbar (o metacrilato) con un trozo de piel o cuero.
   2. Acercar la varilla a pequeños trozos de papel.

• Observación: Los trozos de papel son atraídos por la varilla de ámbar.

• Explicación:

• • Al frotar la varilla de ámbar con la piel o el cuero, el ámbar gana electrones y se carga negativamente, mientras que la piel o el cuero los pierde y se carga positivamente.
  • La varilla de ámbar cargada negativamente genera un campo eléctrico que polariza las moléculas del papel, atrayéndolos.

• Conclusión del Experimento 2: La fricción entre el ámbar y la piel/cuero resulta en una transferencia de electrones de la piel/cuero al ámbar, generando una carga negativa en el ámbar que le permite atraer objetos ligeros como el papel.

Representación Macroscópica y Microscópica de la Transferencia de Electrones
La representación microscópica ayuda a comprender el fenómeno a nivel atómico, mientras que la representación macroscópica muestra el experimento a una escala observable.

• Círculos rojos con signo «+» representan los núcleos atómicos con carga positiva.
• Círculos grises con signo «-» representan los electrones.

Vidrio y Seda:

• Macroscópico: El vidrio cede electrones (queda con defecto de electrones y carga positiva) a la seda (que capta electrones y queda con exceso de electrones y carga negativa). Una flecha azul indica la dirección de la transferencia de electrones: desde el vidrio hacia la seda.
•  Microscópico: Se observan diagramas atómicos que muestran la diferencia en la cantidad de electrones entre el vidrio (menos electrones) y la seda (más electrones).

Ámbar y Piel/Cuero:

• Macroscópico: La piel/cuero cede electrones (queda con defecto de electrones y carga positiva) al ámbar (que capta electrones y queda con exceso de electrones y carga negativa). Una flecha azul indica la dirección de la transferencia de electrones: desde la piel/cuero hacia el ámbar.
• Microscópico: Se observan diagramas atómicos que muestran la diferencia en la cantidad de electrones entre la piel/cuero (menos electrones) y el ámbar (más electrones).

Conclusiones finales de los experimentos 1 y 2:
Se ha ilustrado claramente la diferencia en la polaridad de la carga que adquieren los materiales según su naturaleza. El vidrio se carga positivamente (cede electrones) y la seda negativamente (capta electrones). El ámbar se carga negativamente (capta electrones) y la piel/cuero positivamente (cede electrones).

La electrización por frotamiento es un fenómeno que depende de las propiedades de los materiales que se frotan, produciendo una fuerza eléctrica observable en la atracción de objetos ligeros.

La serie triboeléctrica, que ordena los materiales según su tendencia a ganar o perder electrones, permite predecir la carga resultante: los materiales ubicados más arriba en la serie tienden a cargarse positivamente (cediendo electrones), mientras que los que se encuentran más abajo tienden a cargarse negativamente (captando electrones). Este proceso da lugar a una interacción o fuerza eléctrica.

6.1.5 Experimento 3: clases de electrización. Electrización sobre el vidrio

Tabla 3: Materiales para el Experimento 3 (Electrización sobre el vidrio)

• Descripción: Se frota una varilla de  ámbar con seda y luego se acerca a una pequeña esfera suspendida forrada con papel aluminio.

• Procedimiento:

1. 1. Electrización de la varilla: Se frota vigorosamente una varilla de ámbar con un paño de piel o cuero. Este proceso transfiere electrones del paño al ámbar, dejando la varilla con una carga eléctrica negativa.
   2. Suspensión de la esfera: Se suspende una pequeña esfera de corcho o icopor (forrada con papel aluminio para mejorar la conducción eléctrica) de un hilo delgado, de manera que pueda moverse libremente. Recuerda descargar la esfera electricamente.
   3. Acercamiento de la varilla: Se acerca lentamente la varilla de ámbar electrizada a la esfera suspendida, sin tocarla.

• Observación: Al acercar la varilla de ámbar electrizada a la esfera, se observa que la esfera es atraída hacia la varilla.

• Explicación:

• • Electrización por frotamiento: Al frotar el ámbar con el paño de piel o cuero, se produce un desequilibrio de cargas eléctricas. El ámbar gana electrones y se carga negativamente, mientras que el paño pierde electrones y se carga positivamente.
  • Polarización de la esfera: Cuando la varilla de ámbar cargada negativamente se acerca a la esfera neutra, se induce una separación de cargas en esta última. Las cargas positivas de la esfera son atraídas hacia la varilla, mientras que las cargas negativas son repelidas. Esta separación de cargas se conoce como polarización.
  • Dipolo eléctrico: La polarización de la esfera crea un dipolo eléctrico, es decir, una región con una carga positiva y otra con una carga negativa.
  • Atracción electrostática: La atracción electrostática entre las cargas negativas de la varilla y las cargas positivas inducidas en la esfera es la responsable de que la esfera se mueva hacia la varilla.
  • En resumen, la varilla de ámbar electrizada actúa como un imán para las cargas positivas de la esfera, atrayéndolas y provocando su movimiento. Este proceso es fundamental para comprender una amplia gama de fenómenos eléctricos.

• Conclusión del experimento 4:

• Este experimento demuestra nuevamente el fenómeno de la electrización por frotamiento y la atracción electrostática, pero esta vez utilizando ámbar en lugar de vidrio. Al frotar el ámbar con el paño, se crea una carga eléctrica negativa en la varilla, y esta carga induce una carga positiva en la esfera, provocando que se atraigan entre sí.
• Este resultado confirma que la electrización por frotamiento y la atracción electrostática son propiedades generales de la materia, y no están limitadas a ciertos materiales específicos.

• Nota: Aunque el ámbar y el vidrio se comportan de manera similar en este experimento, es importante recordar que los materiales se electrizan de manera diferente dependiendo de su naturaleza atómica y molecular.

• Ampliación: Puedes complementar esta explicación con una representación esquemática de las cargas eléctricas en el ámbar y la esfera antes y después del frotamiento, y al momento de la atracción. Además, puedes comparar y contrastar este experimento con el realizado con la varilla de vidrio, destacando las similitudes y diferencias.

• Preguntas adicionales:
  • ¿Por qué se utiliza el ámbar y el cuero en este experimento?
  • ¿Qué otros materiales pueden ser electrizados por frotamiento?
  • ¿Cómo se relaciona este experimento con el concepto de fuerza eléctrica?

6.1.7 Experimento 5: clases de electrización. Electrización positiva y negativa

Tabla 5 : Materiales para el Experimento 5. Electrización positiva y negativa

• Descripciòn: La imagen describe un experimento que compara el efecto de acercar simultáneamente dos varillas electrizadas, una de vidrio y otra de ámbar, a una pequeña esfera de corcho suspendida. Se centra en la interacción combinada de las cargas opuestas.

• • Dos varillas, una de vidrio y otra de ámbar, previamente electrizadas.
  • Una pequeña esfera de corcho suspendida de un hilo.
  • Ambas varillas se acercan simultáneamente a la esfera de corcho.

• Procedimiento:

• 1. Electrización de las varillas:
     • Se frota vigorosamente una varilla de vidrio con un paño de seda para cargarla positivamente.
     • Se frota vigorosamente una varilla de ámbar con un paño de piel o cuero para cargarla negativamente.
  2. Suspensión de la esfera: Se suspende una pequeña esfera de corcho (o un material ligero y aislante) de un hilo delgado, de manera que pueda moverse libremente. Recuerda descargar la esfera electricamente.
  3. Acercamiento simultáneo: Se acercan simultáneamente ambas varillas electrizadas (la de vidrio positiva y la de ámbar negativa) a la esfera suspendida, sin tocarla.

• Observación:
  Al acercar simultáneamente ambas varillas a la esfera, se observa que la esfera experimenta una fuerza de atracción menor o casi nula. Es decir, la esfera no es atraída significativamente hacia ninguna de las varillas.

• Explicación:

• • Cargas de las varillas: Al frotar vidrio con seda, el vidrio adquiere una carga positiva. Al frotar ámbar con piel, el ámbar adquiere una carga negativa. Estas cargas se generan por la transferencia de electrones entre los materiales.
  • Polarización de la esfera: Cuando se acerca una varilla cargada (ya sea de vidrio o ámbar) a la esfera neutra, se induce una separación de cargas en la esfera. Las cargas opuestas a la de la varilla son atraídas hacia ella, mientras que las cargas del mismo signo son repelidas. Esto crea una polarización en la esfera.
  • Interacción simultánea de las varillas: Al acercar ambas varillas (positiva y negativa) a la esfera de manera simultánea, los campos eléctricos generados por cada una interactúan en la región cercana a la esfera. Dado que las cargas son opuestas, sus efectos tienden a cancelarse mutuamente.
  • Neutralización parcial o total: Si las cargas de las varillas son de magnitud similar y se acercan a distancias similares de la esfera, la polarización inducida en la esfera es mucho menor, resultando en una fuerza de atracción significativamente reducida o incluso nula. Esto se debe a que el campo eléctrico neto en la posición de la esfera es cercano a cero debido a la superposición de los campos opuestos.
  • En resumen, cuando se acercan simultáneamente dos varillas con cargas opuestas a una esfera, los efectos de atracción y repulsión se anulan mutuamente en la región cercana a la esfera, debido a la superposición de los campos eléctricos. Esto demuestra cómo la fuerza eléctrica es una magnitud vectorial, donde la dirección y magnitud de las fuerzas deben considerarse para determinar el movimiento de una carga.

• Conclusión del experimento 5:

• • Este experimento demuestra que cuando se acercan simultáneamente a un objeto cargado dos cuerpos con cargas opuestas, los efectos de atracción y repulsión pueden cancelarse mutuamente, resultando en una fuerza neta muy pequeña o nula sobre el objeto.
  • Esto evidencia la naturaleza vectorial de la fuerza eléctrica, donde la dirección y magnitud de las fuerzas eléctricas deben considerarse para determinar el movimiento de una carga.

• Ampliación: Puedes complementar esta explicación con un diagrama de fuerzas que muestre cómo las fuerzas eléctricas ejercidas por las varillas sobre la esfera se anulan o casi se anulan. También puedes discutir el concepto de campo eléctrico y cómo se superponen los campos eléctricos generados por las dos varillas.

• Preguntas adicionales:

• • ¿Qué sucedería si solo se acercara una de las varillas a la esfera?
  • ¿Cómo se podría cuantificar la fuerza resultante sobre la esfera?
  • ¿Existen otras formas de neutralizar la carga eléctrica de un objeto?

En resumen, este experimento muestra cómo la interacción de cargas eléctricas puede resultar en fuerzas que se anulan mutuamente, dependiendo de la disposición de las cargas y sus signos.

Comparación de los Experimentos 3, 4 y 5

Los experimentos 3, 4 y 5 giran en torno al fenómeno de la electrización por frotamiento y las interacciones entre objetos cargados eléctricamente.

Tanto el experimento 3 (con una varilla de vidrio) como el 4 (con una varilla de ámbar) demuestran la atracción entre un objeto cargado eléctricamente y un objeto neutro.

La diferencia clave radica en el tipo de carga que adquiere cada varilla al ser frotada: el vidrio se carga positivamente, mientras que el ámbar se carga negativamente. Sin embargo, el resultado final en ambos casos es el mismo: la atracción de objetos ligeros o de una esfera de corcho.

El experimento 5, por su parte, introduce un elemento adicional al comparar el efecto de acercar simultáneamente dos varillas con cargas opuestas (una positiva y otra negativa) a una esfera. A diferencia de los experimentos anteriores, en este caso se observa una reducción o incluso una anulación de la fuerza neta sobre la esfera. Esto se debe a la superposición de los campos eléctricos generados por ambas varillas, que se cancelan mutuamente en la región cercana a la esfera.

• Conclusiones de los experimentos 3, 4 y 5: A partir de los experimentos realizados, podemos establecer una serie de conclusiones fundamentales sobre la electricidad estática:

• • Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa. Esta distinción se basa en las observaciones realizadas al frotar diferentes materiales. El vidrio, al ser frotado con seda, adquiere una carga eléctrica positiva, mientras que el ámbar, al ser frotado con lana, adquiere una carga negativa.
• 
  • Es importante destacar que Benjamin Franklin fue uno de los primeros científicos en estudiar sistemáticamente la electricidad y en proponer una convención de signos para las cargas eléctricas. Él asignó el signo positivo a la carga del vidrio y el signo negativo a la carga del ámbar, una convención que se ha mantenido hasta nuestros días.
  • Las cargas eléctricas ejercen fuerzas entre sí: estas fuerzas pueden ser de atracción (entre cargas opuestas) o de repulsión (entre cargas iguales). Esta interacción es la base de muchos fenómenos eléctricos.
• 
  • La electrización por frotamiento es un proceso de transferencia de electrones: algunos materiales tienen una mayor tendencia a perder electrones (cargándose positivamente), mientras que otros tienden a ganarlos (cargándose negativamente).
• 
  • La inducción eléctrica es otro mecanismo de electrización: un cuerpo cargado puede inducir una carga opuesta en un cuerpo neutro cercano.
  • El principio de superposición de campos eléctricos: cuando varias cargas eléctricas están presentes, el campo eléctrico total en un punto es la suma vectorial de los campos eléctricos individuales producidos por cada carga.
  • Estos principios básicos nos permiten entender una amplia gama de fenómenos eléctricos, desde la atracción de objetos ligeros por una varilla electrizada hasta el funcionamiento de dispositivos electrónicos complejos.

En resumen, los tres experimentos exploran diferentes aspectos de la electricidad estática. Los experimentos 3 y 4 demuestran la atracción básica entre cargas opuestas y el concepto de inducción de carga. El experimento 5, por su parte, profundiza en la naturaleza vectorial de la fuerza eléctrica y muestra cómo los campos eléctricos pueden sumarse o cancelarse. A través de estos experimentos, podemos comprender mejor cómo se comportan las cargas eléctricas y cómo interactúan entre sí.

Los experimentos realizados demuestran que la electricidad estática es un fenómeno fundamental de la naturaleza, gobernado por leyes precisas. La comprensión de estos principios ha sido esencial para el desarrollo de la tecnología moderna y continúa siendo objeto de estudio e investigación.

6.1.8 Experimento 6: Dos cuerpos con electrización positiva

Tabla 6: Materiales para el Experimento 6. Dos cuerpos con electrización positiva

• Descripciòn: La imagen describe un experimento que compara el efecto de acercar simultáneamente dos esferas electrizadas previamente por una varilla de vidrio.
  • Electrización de la varilla: Una varilla de vidrio es frotada vigorosamente con un paño de seda, lo que le confiere una carga eléctrica positiva.
  • Carga de las esferas: Las dos esferas de corcho, suspendidas de hilos, son tocadas con la varilla de vidrio cargada, adquiriendo así una carga eléctrica positiva idéntica a la de la varilla.
  • Repulsión electrostática: Al acercar las dos esferas cargadas positivamente, se observa claramente cómo se separan, evidenciando una fuerza de repulsión entre ellas.

• Procedimiento:

1. 1. Preparación: Necesitamos una varilla de vidrio, un paño de seda, dos esferas de corcho ligeras y dos hilos para suspenderlas.
   2. Electrización: Frotamos enérgicamente la varilla de vidrio con el paño de seda.
   3. Transferencia de la carga: Acercamos la varilla electrizada a cada esfera hasta que las toque brevemente.
   4. Observación: Acercamos lentamente las dos esferas y observamos su comportamiento.

• Observación: Al acercar las dos esferas de corcho cargadas positivamente, se observa claramente que se separan, moviéndose en direcciones opuestas. Esta separación es una manifestación de la fuerza de repulsión electrostática.

• Explicación: 

• • Electrización del vidrio: Al frotar el vidrio con seda, estamos transfiriendo electrones del vidrio a la seda. Esto deja al vidrio con una deficiencia de electrones, lo que le confiere una carga eléctrica positiva.
  • Transferencia de carga: Cuando tocamos las esferas de corcho con la varilla de vidrio cargada positivamente, parte de esta carga positiva se transfiere a las esferas. Ahora, tanto la varilla como las esferas tienen un exceso de carga positiva.
  • Repulsión electrostática: Al acercar las dos esferas cargadas positivamente, se produce una fuerza de repulsión entre ellas. Esto se debe a que las cargas eléctricas del mismo signo (positivas en este caso) se repelen mutuamente. Es decir, las esferas se alejan una de la otra debido a esta fuerza de repulsión.
  • En resumen, cuando dos objetos tienen un exceso de la misma carga eléctrica (en este caso, positiva), experimentan una fuerza que los separa. Esta fuerza, conocida como fuerza electrostática, es fundamental para entender muchos fenómenos eléctricos.

• Conclusiones del experimento 6: El experimento realizado ha demostrado que:
  • Objetos con carga eléctrica positiva se repelen: Al electrizar dos objetos con el mismo tipo de carga (positiva en este caso), estos se alejan mutuamente. Esta repulsión es una fuerza fundamental que surge entre objetos con la misma carga eléctrica.
  • Electrización por contacto: El proceso de frotar el vidrio con seda ha transferido una propiedad eléctrica al vidrio, y al tocar las esferas con el vidrio, esta propiedad se ha transmitido también a ellas. Este fenómeno de transferencia de carga por contacto es un mecanismo fundamental para electrizar objetos.

6.1.9 Experimento 7: Dos cuerpos con electrización negativa

Tabla 7 : Materiales para el Experimento 7. Dos cuerpos con electrización negativa

• Descripción: La imagen describe un experimento que compara el efecto de acercar simultáneamente dos esferas electrizadas previamente por una varilla de àmbar.
  • Electrización del ámbar: Una varilla de ámbar es frotada vigorosamente con un paño de piel.
  • Transferencia de carga: La varilla electrizada se pone en contacto con dos esferas de corcho, transfiriéndoles carga.
  • Repulsión: Al acercar las dos esferas que ahora comparten esta carga, observamos que se separan, es decir, se repelen mutuamente.

• Procedimiento:

• 1. Preparación: Necesitamos una varilla de ámbar, un paño de piel, dos esferas de corcho ligeras y dos hilos para suspenderlas.
  2. Electrización: Frotamos enérgicamente la varilla de ámbar con el paño de piel.
  3. Transferencia de la carga: Acercamos la varilla electrizada a cada esfera hasta que las toque brevemente.
  4. Observación: Acercamos lentamente las dos esferas y observamos su comportamiento.

• Observación: Al acercar las dos esferas que han sido «electrizadas» por el ámbar, observamos claramente que se separan, moviéndose en direcciones opuestas.

• Explicación:  

• • Electrización del ámbar:
    • Al frotar vigorosamente el ámbar con un paño de piel, estamos generando una fricción entre ambos materiales.
    • Esta fricción provoca que algunos electrones superficiales del ámbar sean arrancados y pasen al paño de piel.
    • Como consecuencia, el ámbar queda con una deficiencia de electrones, adquiriendo así una carga eléctrica neta negativa.
  • Transferencia de carga al corcho:
    • Cuando la varilla de ámbar cargada negativamente se pone en contacto con las esferas de corcho, algunos de los electrones en exceso del ámbar se transfieren a las esferas.
    • De esta manera, las esferas de corcho también adquieren una carga eléctrica negativa, ya que ahora tienen un exceso de electrones.
  • Repulsión electrostática:
    • Al acercar las dos esferas de corcho cargadas negativamente, los electrones en exceso de cada esfera se repelen mutuamente.
    • Esta repulsión eléctrica genera una fuerza que empuja las esferas en direcciones opuestas, haciendo que se separen.
  • En resumen, este experimento nos muestra que al frotar un material como el ámbar, podemos inducir en otros objetos una propiedad que causa repulsión. 

• Conclusiones del experimento 7: el experimento ha demosstrado que:
  • Objetos electrizados con ámbar se repelen: Al frotar el ámbar y transferir esta propiedad a dos objetos, estos se alejan mutuamente.
  • La propiedad inducida por el ámbar: El ámbar frotado con el cuero induce una propiedad en las esferas  que provoca la repulsión entre ellas.

6.1.10 Experimento 8: Dos cuerpos con diferente clase de electrización

Tabla 8: Materiales para el Experimento 8. Dos cuerpos con diferente clase de electrización

• Descripción: La imagen describe un experimento que demuestra la atracción electrostática entre cuerpos con cargas de signo opuesto. Se utilizan una varilla de vidrio, una varilla de ámbar y dos esferas de corcho. Podemos observar tres etapas:
  • Electrizacion:
    • Electrización del vidrio: Una varilla de vidrio es frotada vigorosamente con un paño de seda.
    • Electrización del ámbar: Una varilla de ámbar es frotada vigorosamente con un paño de piel.
  • Transferencia de carga: La varillas electrizadas se ponen en contacto con dos esferas de corcho individualmente, transfiriéndoles carga.
  • Interacción de cargas: Las dos esferas de corcho, con cargas opuestas, son acercadas entre sí, atrayendose mutuamente.
• Procedimiento:
  1. Preparación: Necesitamos dos varillas (una de vidrio y otra de ámbar), un paño de seda, un paño de piel, dos esferas de corcho ligeras y dos hilos para suspenderlas.
  2. Electrización: Frotamos vigorosamente la varilla de vidrio con el paño de seda y la varilla de ámbar con el paño de piel.
  3. Transferencia de carga: Tocamos una esfera de corcho con la varilla de vidrio electrizada y la otra esfera con la varilla de ámbar electrizada
  4. Observación: Acercamos lentamente las dos esferas y observamos su comportamiento.

• Observación:
  Al acercar las dos esferas que han sido electrizadas con cargas opuestas, observamos claramente que se atraen mutuamente, moviéndose una hacia la otra.

• Explicación:
  • Electrización de la varilla de vidrio: Al frotar vigorosamente el vidrio con la seda, se produce una transferencia de electrones del vidrio a la seda. Esto deja al vidrio con una deficiencia de electrones, adquiriendo así una carga eléctrica positiva.
  • Electrización de la varilla de ámbar: Al frotar vigorosamente el ámbar con la piel, se produce una transferencia de electrones de la piel al ámbar. Esto le da al ámbar un exceso de electrones, adquiriendo así una carga eléctrica negativa.
  • Transferencia de carga a las esferas: Cuando tocamos una esfera de corcho con la varilla de vidrio cargada positivamente, parte de la carga positiva del vidrio se transfiere a la esfera, cargándola positivamente. Al tocar la otra esfera de corcho con la varilla de ámbar cargada negativamente, parte de la carga negativa del ámbar se transfiere a la esfera, cargándola negativamente.
  • Atracción electrostática: Al acercar las dos esferas con cargas opuestas, se genera una fuerza de atracción entre ellas debido a la naturaleza opuesta de sus cargas. Los electrones en exceso de la esfera negativa son atraídos por los protones (cargas positivas) de la esfera positiva, y viceversa.

• Conclusiones del experimento 8:
  • Objetos con cargas opuestas se atraen: Al electrizar dos objetos con cargas eléctricas opuestas, estos se acercan mutuamente.
  • La naturaleza de la fuerza eléctrica: La fuerza eléctrica puede ser tanto atractiva como repulsiva, dependiendo del tipo de carga de los objetos involucrados.

• En resumen, este experimento demuestra que objetos con cargas eléctricas opuestas ejercen una fuerza de atracción entre sí. Este fenómeno, junto con la repulsión entre cargas del mismo signo (observada en el Experimento 7), nos permite comprender mejor la naturaleza de la fuerza eléctrica y cómo interactúan las cargas eléctricas.

• Comparación de los Experimentos 6, 7 y 8
  • Similitudes:
    • Objetivo: Los tres experimentos buscan demostrar la existencia y naturaleza de la electricidad estática, es decir, la carga eléctrica que se acumula en los objetos.
    • Procedimiento: Los tres siguen un procedimiento similar: electrización de un material por frotamiento, transferencia de carga a otros objetos y observación de la interacción entre estos objetos cargados.
    • Materiales: Utilizan materiales comunes como vidrio, ámbar, seda, piel y esferas de corcho.
  • Diferencias:
    • Material electrizado: Cada experimento utiliza diferentes materiales para electrizar: vidrio en el 6, ámbar en el 7 y una combinación de ambos en el 8.
    • Tipo de carga inducida: Al frotar diferentes materiales, se inducen diferentes tipos de carga. El vidrio tiende a adquirir una carga positiva, mientras que el ámbar tiende a adquirir una carga negativa.
    • Interacción entre las cargas:
      • Experimento 6: Se observa repulsión entre objetos cargados con el mismo tipo de carga (positiva).
      • Experimento 7: También se observa repulsión, pero esta vez entre objetos cargados negativamente.
      • Experimento 8: Se observa atracción entre objetos con cargas opuestas (positiva y negativa).
• Explicación de las Diferencias:
  • La diferencia en la interacción entre las cargas se debe a la naturaleza de la carga eléctrica. Existen dos tipos de carga: positiva y negativa.
  • Cargas del mismo signo se repelen: Tanto en el Experimento 6 como en el 7, los objetos tienen la misma carga (positiva o negativa), por lo que se repelen mutuamente.
  • Cargas de signo opuesto se atraen: En el Experimento 8, los objetos tienen cargas opuestas, lo que provoca una fuerza de atracción entre ellos.

6.1.10 Conclusiones Generales de todos los experimentos:

• Existen dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa
• Ley de las cargas:
  • Cargas del mismo signo se repelen: Objetos con la misma carga eléctrica (positiva o negativa) ejercen una fuerza de repulsión entre sí.
  • Cargas de signo opuesto se atraen: Objetos con cargas eléctricas opuestas (positiva y negativa) ejercen una fuerza de atracción entre sí.
• Electrización por frotamiento: Frotar diferentes materiales puede transferir electrones de un material a otro, creando una carga eléctrica en ambos objetos.
• La fuerza eléctrica actúa a distancia: La fuerza eléctrica puede actuar a distancia, sin necesidad de contacto físico entre los objetos.

7. Electrización por Frotamiento

7.1. Definición y Proceso

La electrización por frotamiento es el fenómeno en el cual dos cuerpos neutros adquieren carga eléctrica al frotarse uno contra el otro. Este proceso implica la transferencia de electrones de un material a otro, resultando en que uno de los cuerpos pierde electrones y se carga positivamente, mientras que el otro gana electrones y se carga negativamente (Budakian & Putterman, 2013). La cantidad de carga adquirida depende de las propiedades triboeléctricas de los materiales involucrados, que determinan su capacidad para atraer o ceder electrones (Berry et al., 2021).

7.2. Materiales Comunes Utilizados

Los materiales comúnmente utilizados en la electrización por frotamiento son aquellos con diferentes afinidades electrónicas. Algunos ejemplos incluyen:

• Vidrio y seda: Al frotar una barra de vidrio con un paño de seda, el vidrio pierde electrones y se carga positivamente, mientras que la seda gana electrones y se carga negativamente.
• Plástico y lana: Frotar una regla de plástico con lana resulta en una transferencia similar de electrones, donde la regla queda cargada negativamente.
• Goma y papel: Al frotar una goma contra papel, también se produce una electrización similar (Teachy, 2024).

7.3. Ejemplos Prácticos

Existen diversos ejemplos prácticos que ilustran la electrización por frotamiento:

• Globo y cabello: Al frotar un globo contra el cabello, el globo adquiere carga negativa al ganar electrones del cabello, permitiéndole atraer pequeños objetos como trozos de papel.
• Peine y tela: Frotar un peine de plástico contra una tela puede hacer que el peine se cargue negativamente, lo que le permite atraer cabellos o partículas ligeras.
• Experimentos educativos: En entornos educativos, se pueden realizar experimentos simples utilizando materiales como reglas de plástico y lana para demostrar la electrización por fricción (Berry et al., 2021).

7.4. Efectos Observables

Los efectos observables de la electrización por frotamiento incluyen:

• Atracción y repulsión: Los cuerpos cargados pueden atraer o repeler otros objetos dependiendo del signo de su carga. Por ejemplo, un globo cargado negativamente puede atraer objetos neutros o positivamente cargados.
• Carga de un globo: Al frotar un globo contra una superficie de lana, el globo puede adquirir carga negativa al recibir electrones.
• Electrización de un peine: Frotar un peine de plástico contra una tela puede hacer que el peine se cargue negativamente, lo que le permite atraer cabellos.
• Chispas eléctricas: En condiciones adecuadas, como en ambientes secos, la acumulación de carga puede resultar en descargas eléctricas visibles, como chispas al tocar un objeto conductor.

7.5. Aplicaciones de la Electrización por Frotamiento

Es importante aclarar que algunas aplicaciones de electrización pueden clasificarse tanto por fricción como por contacto, dependiendo del contexto y del proceso específico involucrado. Por ejemplo:

• Pintura Electrostática: Aunque se carga por fricción al ser pulverizada, la aplicación de la pintura a una superficie metálica implica contacto, lo que permite que las partículas cargadas se adhieran a la superficie.
• Xerografía: El tóner se carga electrostáticamente a través de fricción, pero también se adhiere al papel mediante contacto electrostático.
• Maquillaje Electroestático: La carga de los productos cosméticos se genera por fricción al ser atomizados, pero su aplicación sobre la piel implica contacto.

Esta dualidad en la clasificación resalta la complejidad de los fenómenos electrostáticos y cómo diferentes mecanismos pueden interactuar en un mismo proceso. Por lo tanto, es fundamental considerar el contexto específico al clasificar estas aplicaciones.

1. Electrostatic Discharge (ESD) Protection in Electronics: En la fabricación de componentes electrónicos, se utilizan materiales que generan carga estática por fricción para proteger dispositivos sensibles de descargas electrostáticas que pueden dañarlos. Esto incluye el uso de pulseras y alfombrillas antiestáticas.
2. Impresión por Transferencia Electrostática: En la impresión por transferencia electrostática, se utiliza fricción para cargar el tóner que se adhiere al papel. Este proceso es fundamental en impresoras láser y fotocopiadoras, donde el tóner se carga y se transfiere al papel a través de fricción.
3. Sistemas de Filtración de Aire: Algunos sistemas de filtración utilizan principios electrostáticos para atraer partículas contaminantes del aire. Los filtros pueden ser cargados electrostáticamente mediante fricción, lo que mejora su capacidad para atrapar polvo y alérgenos.
4. Pintura Electrostática: En la aplicación de pintura electrostática, las partículas de pintura son cargadas por fricción antes de ser aplicadas a las superficies metálicas, asegurando una cobertura uniforme.
5. Maquillaje Electroestático: En la industria cosmética, los atomizadores electrostáticos utilizan fricción para cargar los productos cosméticos, permitiendo una aplicación uniforme y eficiente sobre la piel.
6. Electroestática en Agricultura: En la aplicación de pesticidas, se pueden utilizar técnicas electrostáticas donde las gotas cargadas se adhieren mejor a las plantas y cultivos debido a la electrización por fricción, lo que mejora la eficiencia del uso de pesticidas.
7. Generadores Electroestáticos: Estos dispositivos utilizan fricción para generar electricidad estática para diversas aplicaciones científicas.
8. Estimulación Muscular en Medicina: Este proceso utiliza campos eléctricos generados por fricción para tratamientos médicos como la electrocirugía.
9. Peinado con Peine de Plástico: Al peinarse con un peine de plástico, la fricción crea una carga eléctrica que atrae el cabello, alisándolo y reduciendo los enredos.
10. Frotar un Paño en Cristales: Al frotar un paño sobre vidrio, se genera carga estática que puede ayudar a repeler el polvo y la suciedad, manteniendo los cristales limpios por más tiempo.

Referencias:

1. Berry, J., Ellis, A. V., & Sherrell, P. C. (2021). A review toward controlling triboelectric surface charge. HAL.
2. Budakian, R., & Putterman, S. J. (2013). Friction coefficient dependence on electrostatic tribocharging. Nature Scientific Reports, 3(2384). https://doi.org/10.1038/srep02384
3. Cohen, M., & Mott, D. (2019). Electrostatic Discharge Protection in Electronic Devices: A Review of Current Practices and Future Directions. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 19(2), 123-130.
4. González, A., Pérez, J., & Martínez, R. (2020). Electrostatic Applications in Agriculture: Enhancing Efficiency and Reducing Chemical Use. Journal of Agricultural Science and Technology, 22(4), 345-358.
5. Teachy. (2024). Explorando la electricidad: entendiendo la electrización en la práctica. Recuperado de https://www.teachy.app/es/resumenes/educacion-media/media-superior-2-grado/fisica-a-espanol/explorando-la-electricidad-entendiendo-la-electrizacion-en-la-practica-63676

8. Electrización por Contacto

8.1. Definición y Proceso

La electrización por contacto es el proceso mediante el cual un cuerpo electrizado transfiere parte de su carga a otro cuerpo que inicialmente está neutro al entrar en contacto físico. Este fenómeno ocurre cuando hay un flujo de electrones entre los cuerpos, donde el cuerpo con exceso de electrones (carga negativa) transfiere electrones al cuerpo que tiene una deficiencia de ellos (carga positiva) o viceversa. Como resultado, ambos cuerpos terminan con la misma carga, ya sea positiva o negativa, dependiendo de la dirección del flujo de electrones (CIP ETI de Tudela, 2024; Teachy, 2024).

8.2. Condiciones Necesarias para la Electrización

Para que la electrización por contacto ocurra, se deben cumplir ciertas condiciones:

• Material Conductivo: Al menos uno de los cuerpos debe ser un conductor eléctrico que permita el movimiento de electrones.
• Contacto Físico: Debe existir un contacto físico entre los dos cuerpos para facilitar la transferencia de carga.
• Diferencia de Carga Inicial: Al menos uno de los cuerpos debe estar electrizado previamente para que pueda transferir carga al otro (Budakian & Putterman, 2013).

8.3. Ejemplos de Electrización por Contacto

Algunos ejemplos prácticos de electrización por contacto incluyen:

• Carga de un objeto metálico: Si un objeto metálico cargado positivamente toca un objeto neutro, este último adquirirá una carga positiva al recibir electrones del objeto cargado.
• Electrización en dispositivos electrónicos: Al conectar un dispositivo electrónico a una fuente de energía, la transferencia de carga entre el dispositivo y la fuente puede resultar en una electrización.
• Tocar un objeto cargado: Cuando una persona toca un objeto metálico que está cargado negativamente, puede transferir parte de esa carga a su cuerpo, resultando en una pequeña descarga eléctrica al tocar otro objeto conductor (Cohen & Mott, 2019).
• Cuerpo humano y objetos metálicos: Al tocar una puerta metálica después de caminar sobre una alfombra, se puede sentir una pequeña descarga eléctrica debido a la transferencia de carga (Cohen & Mott, 2019).

8.4. Aplicaciones de la Electrización por Contacto

1. Control de Plagas en Agricultura: Este proceso implica la aplicación de pesticidas cargados electrostáticamente a las superficies a tratar mediante contacto.
2. Desinfección Electroestática: En este caso, las partículas cargadas se adhieren a las superficies mediante contacto, mejorando la eficacia de la desinfección.
3. Electrodomésticos: Las aspiradoras utilizan principios electrostáticos para atraer polvo y suciedad mediante contacto con las partículas.
4. Electroestática en Electrónica: La protección contra descargas electrostáticas en componentes electrónicos implica contacto físico con superficies conductoras durante su fabricación y manipulación.
5. Filtros Electrostáticos: Estos filtros atrapan partículas contaminantes del aire mediante cargas opuestas que requieren contacto con las partículas a filtrar.
6. Pintura Electrostática: Aunque se carga por fricción, la aplicación de pintura a superficies metálicas implica contacto entre las partículas de pintura y la superficie.
7. Estimulación Muscular en Medicina: Este proceso utiliza campos eléctricos generados por contacto para tratamientos médicos como la electrocirugía, donde se aplica una corriente eléctrica a través de electrodos en contacto con la piel.

Referencias:

1. Budakian, R., & Putterman, S. J. (2013). Friction coefficient dependence on electrostatic tribocharging. Nature Scientific Reports, 3(2384). https://doi.org/10.1038/srep02384
2. Cohen, M., & Mott, D. (2019). Electrostatic Discharge Protection in Electronic Devices: A Review of Current Practices and Future Directions. IEEE Transactions on Device and Materials Reliability, 19(2), 123-130.
3. González, A., Pérez, J., & Martínez, R. (2020). Electrostatic Applications in Agriculture: Enhancing Efficiency and Reducing Chemical Use. Journal of Agricultural Science and Technology, 22(4), 345-358.
4. Teachy. (2024). Explorando la electricidad: entendiendo la electrización en la práctica. Recuperado de https://www.teachy.app/es/resumenes/educacion-media/media-superior-2-grado/fisica-a-espanol/resumen-de-electricidad-tipos-de-electrizacion

   9. Electrización por Inducción

   9.1. Definición y Proceso

   La electrización por inducción es un fenómeno en el cual un objeto neutro (también llamado cuerpo neutro, conductor, cuerpo polarizable o inducido) adquiere carga eléctrica sin contacto directo con un cuerpo cargado (también conocido como inductor, cuerpo electrizado o agente inductor). Este proceso ocurre cuando un inductor se aproxima a un conductor, provocando una redistribución de las cargas dentro de este último.

   El campo eléctrico generado por el inductor se dirige hacia dicho inductor. Este campo influye en las cargas del conductor, provocando que los electrones libres se desplacen en respuesta a este campo. Esto genera una separación de cargas: el lado del conductor más cercano al inductor adquiere una carga opuesta, mientras que el lado más alejado queda con carga similar a la del inductor (Serway & Jewett, 2018).

   Para completar el proceso de electrización por inducción, es común conectar brevemente el conductor a tierra antes de retirar el inductor. Esto permite que los electrones se muevan hacia o desde la tierra, resultando en una carga neta en el conductor después de que se retira el inductor (Tipler & Mosca, 2010).

   9.2. Polarización de Cargas

   La polarización de cargas es un concepto clave en la electrización por inducción. Cuando un inductor se acerca a un conductor, las cargas dentro de este se redistribuyen debido a la repulsión o atracción ejercida por el campo eléctrico del inductor. Esta redistribución no cambia la carga neta del conductor, pero crea áreas con diferentes signos de carga: una parte se carga positivamente y otra negativamente (Griffiths, 2017). Este fenómeno es fundamental para entender cómo los objetos pueden interactuar electrostáticamente sin contacto físico.

   Referencias:

   • Griffiths, D. J. (2017). Introduction to electrodynamics (4th ed.). Pearson.
   • Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2018). Physics for scientists and engineers with modern physics (10th ed.). Cengage Learning.
   • Tipler, P. A., & Mosca, G. (2010). Physics for scientists and engineers (6th ed.). W. H. Freeman and Company.

Elementos de la imagen:

• Cuerpo negativo inductor (inductor): A la izquierda, se observa un cuerpo con carga negativa. Las líneas horizontales con pequeños guiones representan la carga negativa distribuida en el inductor. Este cuerpo es el que genera el campo eléctrico y provoca la inducción en el otro cuerpo (el inducido).
• El inductor da origen en el inducido a dos tipos de cargas eléctricas:
  • Carga retenida: Carga que está bajo la influencia directa del inductor, y no tiene posibilidad de escapar. Es de polaridad o signo diferente a la carga del inductor.
  • Carga libre: Carga que puede escapar de la influencia directa del inductor. Con polaridad o signo igual al del inductor.
• Campo eléctrico: Las líneas punteadas que se extienden hacia el inductor representan el campo eléctrico generado por este. El campo eléctrico es la región del espacio donde una carga eléctrica experimenta una fuerza (Tipler & Mosca, 2010). Las líneas del campo eléctrico indican la dirección de la fuerza que se ejercería sobre una carga positiva de prueba. En este caso, las líneas apuntan hacia el inductor (donde «entran» las líneas de campo).

• Cuerpo electrizado por inducción (inducido): A la derecha, se observa un cuerpo inicialmente neutro. Este cuerpo, el inducido, se ve afectado por el campo eléctrico del inductor.
• Carga retenida: En la parte del inducido más cercana al inductor, se observa una zona roja con pequeños círculos que representan la acumulación de carga positiva. Esta es la «carga retenida». Los electrones del inducido han sido repelidos por el campo eléctrico del inductor, dejando una zona con carga positiva neta.
• Carga libre: En la parte del inducido más alejada del inductor, se infiere (aunque no se representa explícitamente con un color diferenciado en la imagen) una acumulación de carga negativa debido al desplazamiento de los electrones. Esta es la «carga libre». Los electrones que fueron repelidos se acumulan en esta zona.

Proceso de electrización por inducción:

1. Presencia del inductor: Un cuerpo cargado (el inductor), en este caso negativamente, se acerca a un cuerpo neutro (el inducido).
2. Campo eléctrico: El inductor genera un campo eléctrico que influye en las cargas del inducido.
3. Polarización: El campo eléctrico provoca una separación de cargas en el inducido. Las cargas del mismo signo que el inductor (negativas en este caso) son repelidas y se desplazan a la parte más alejada del inductor. Las cargas de signo opuesto (positivas) son atraídas y se acumulan en la parte más cercana al inductor. Este fenómeno se conoce como polarización (Halliday, Resnick, & Walker, 2014).
4. Carga inducida: Aunque el inducido sigue siendo neutro en su conjunto (la cantidad total de carga positiva y negativa sigue siendo la misma), se ha producido una redistribución de cargas dentro de este. La zona cercana al inductor queda con una carga neta opuesta a la del inductor (carga retenida), mientras que la zona alejada queda con una carga neta del mismo signo que el inductor (carga libre).

Puntos importantes sobre la inducción:

• No hay contacto: A diferencia de la carga por contacto, en la inducción no hay transferencia de carga entre los cuerpos. Las cargas simplemente se redistribuyen dentro del inducido (Young & Freedman, 2013).
• Carga temporal: La separación de cargas en el inducido solo persiste mientras el inductor esté presente. Si se retira el inductor, las cargas en el inducido se redistribuyen nuevamente, volviendo a un estado neutro.
• Conexión a tierra (opcional): Si se conecta a tierra el inducido mientras está bajo la influencia del campo eléctrico, las cargas libres (las que se han desplazado a la parte más alejada) pueden fluir hacia la tierra, dejando al inducido con una carga neta opuesta a la del inductor. En este caso, la carga inducida se vuelve permanente, incluso después de retirar el inductor. La imagen no muestra este caso con conexión a tierra.

Referencias:

• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2014). Fundamentals of physics (10th ed.). John Wiley & Sons.
• Tipler, P. A., & Mosca, G. (2010). Physics for scientists and engineers (6th ed.). W. H. Freeman and Company.
• Young, H. D., & Freedman, R. A. (2013). University physics with modern physics (13th ed.). Addison-Wesley.

9.3. Ejemplos Prácticos de Inducción

• Carga de una lata con un globo: Si se frota un globo contra el cabello y luego se acerca a una lata metálica sin tocarla, la lata experimentará una separación de cargas. La parte cercana al globo se cargará negativamente y será atraída hacia él (Salcedo, 2022).
• Inducción en pararrayos: Durante tormentas eléctricas, las nubes cargadas negativamente inducen cargas positivas en la superficie terrestre, lo que puede resultar en descargas eléctricas (Ferrovial, 2024).
• Electrización de objetos metálicos: Al acercar un objeto cargado a un conductor metálico neutro, se puede observar cómo los electrones se desplazan y crean áreas cargadas sin contacto directo (Teachy, 2024).

9.4. Aplicaciones en Tecnología

1. Pararrayos: Utilizan principios de inducción para proteger estructuras; al acercarse a nubes cargadas, inducen una carga opuesta que ayuda a canalizar descargas eléctricas hacia tierra.
2. Sensores electrostáticos: Empleados en dispositivos táctiles y pantallas capacitivas, donde la proximidad de un dedo induce cambios en las cargas eléctricas detectadas por el dispositivo.
3. Electrificación de aerosoles: En aplicaciones como la pintura electrostática, donde las partículas de pintura son inducidas para adherirse mejor a superficies mediante la polarización.
4. Dispositivos médicos: Algunos equipos utilizan inducción para cargar electrodos que pueden ser utilizados en tratamientos como la electrocirugía.
5. Filtros electrostáticos: Utilizan principios de inducción para atraer partículas contaminantes del aire mediante cargas opuestas.
6. Cargadores inalámbricos: Utilizan inducción electromagnética para transferir energía entre dos objetos sin contacto físico directo.

Referencias:

1. Budakian, R., & Putterman, S. J. (2013). Friction coefficient dependence on electrostatic tribocharging. Nature Scientific Reports, 3(2384). https://doi.org/10.1038/srep02384
   CIP ETI de Tudela. (2024). Electrización por Inducción. Recuperado de https://www.cipet.edu.es/electrizacion-induccion
2. Ferrovial. (2024). Electrostática: qué es, cómo se genera. Recuperado de https://www.ferrovial.com/es/stem/electrostatica/
3. Salcedo, J. (2022). ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN (Laboratorio virtual) [Video]. YouTube. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=iH8LSBTNlOE
4. Teachy. (2024). Resumen de Electricidad: Tipos de Electrización. Recuperado de https://www.teachy.app/es/resumenes/educacion-media/media-superior-2-grado/fisica-a-espanol/resumen-de-electricidad-tipos-de-electrizacion