Se descubrió hace siglos que ciertos tipos de materiales se atraerían misteriosamente entre sí después de ser frotados. Por ejemplo, después de frotar una pieza de seda contra una pieza de vidrio, la seda y el vidrio tenderían a pegarse. De hecho, había una fuerza atractiva que podía demostrarse incluso cuando los dos materiales estaban separados:
El vidrio y la seda no son los únicos materiales que se sabe que se comportan así. Cualquiera que haya rozado contra un globo de látex solo para descubrir que intenta adherirse a ellos ha experimentado este mismo fenómeno. La cera de parafina y la tela de lana son otro par de materiales que los primeros experimentadores reconocieron que manifestaban fuerzas atractivas después de ser frotados:
Este fenómeno se volvió aún más interesante cuando se descubrió que materiales idénticos, después de haber sido frotados con sus telas respectivas, siempre se repelen entre sí:
También se observó que cuando un trozo de vidrio frotado con seda quedaba expuesto a un trozo de cera frotado con lana, los dos materiales se atraían entre sí:
Además, se descubrió que cualquier material que demuestre propiedades de atracción o repulsión después de ser frotado podría clasificarse en una de dos categorías distintas: atraído por el vidrio y repelido por la cera, o repelido por el vidrio y atraído por la cera. Era uno u otro: no se encontraron materiales que fueran atraídos o repelidos por el vidrio y la cera, o que reaccionaran a uno sin reaccionar al otro.
Se dirigió más atención hacia las piezas de tela utilizadas para frotar. Se descubrió que después de frotar dos piezas de vidrio con dos piezas de tela de seda, no solo las piezas de vidrio se repelen entre sí, sino también las telas. El mismo fenómeno se aplica a los trozos de lana utilizados para frotar la cera:
Ahora, esto fue realmente extraño de presenciar. Después de todo, ninguno de estos objetos fue visiblemente alterado por el roce, pero definitivamente se comportaron de manera diferente que antes de ser frotados. Cualquier cambio que tuvo lugar para hacer que estos materiales se atraigan o repelen entre sí fue invisible.
Algunos experimentadores especularon que se estaban transfiriendo “fluidos” invisibles de un objeto a otro durante el proceso de frotamiento y que estos “fluidos” podían ejercer una fuerza física a distancia. Charles Dufay fue uno de los primeros experimentadores que demostró que definitivamente se produjeron dos tipos diferentes de cambios al frotar ciertos pares de objetos. El hecho de que hubo más de un tipo de cambio manifestado en estos materiales fue evidente por el hecho de que se produjeron dos tipos de fuerzas: atracción y repulsión . La transferencia de fluido hipotética se conoció como una carga .
Un investigador pionero, Benjamin Franklin, llegó a la conclusión de que solo se intercambiaba un fluido entre objetos frotados, y que las dos “cargas” diferentes no eran más que un exceso o una deficiencia de ese fluido. Después de experimentar con cera y lana, Franklin sugirió que la lana gruesa eliminó parte de este fluido invisible de la cera lisa, causando un exceso de líquido en la lana y una deficiencia de líquido en la cera. La disparidad resultante en el contenido de fluidos entre la lana y la cera causaría una fuerza atractiva, ya que el fluido intentó recuperar su equilibrio anterior entre los dos materiales.
Postulando la existencia de un solo “fluido” que se ganó o perdió con el frotamiento representó mejor el comportamiento observado: que todos estos materiales caen perfectamente en una de dos categorías cuando se frotan, y lo más importante, que los dos materiales activos frotados uno contra el otro siempre cayeron en categorías opuestas como lo demuestra su invariable atracción mutua. En otras palabras, nunca hubo un momento en que dos materiales se frotaran uno contra el otro ambos se volvieron positivos o negativos.
Después de la especulación de Franklin de que la lana frotaba algo de la cera, el tipo de carga que estaba asociada con la cera frotada se conocía como “negativa” (porque se suponía que tenía una deficiencia de líquido) mientras que el tipo de carga asociada con el frotamiento la lana se hizo conocida como “positiva” (porque se suponía que tenía un exceso de líquido). ¡Poco sabía él que su inocente conjetura causaría mucha confusión a los estudiantes de electricidad en el futuro!
El físico francés Charles Coulomb realizó mediciones precisas de la carga eléctrica en la década de 1780 utilizando un dispositivo llamado equilibrio torsional que mide la fuerza generada entre dos objetos cargados eléctricamente. Los resultados del trabajo de Coulomb llevaron al desarrollo de una unidad de carga eléctrica nombrada en su honor, el coulomb . Si dos objetos “puntuales” (objetos hipotéticos que no tienen un área de superficie apreciable) se cargaran por igual a una medida de 1 coulomb y se colocaran a 1 metro (aproximadamente 1 yarda) de distancia, generarían una fuerza de aproximadamente 9 mil millones de newtons (aproximadamente 2 mil millones libras), ya sea atrayendo o repeliendo dependiendo de los tipos de cargos involucrados. Se encontró que la definición operativa de un culombio como la unidad de carga eléctrica (en términos de fuerza generada entre cargas puntuales) es igual a un exceso o deficiencia de aproximadamente 6,250,000,000,000,000,000 de electrones. O, en términos inversos, un electrón tiene una carga de aproximadamente 0.00000000000000000016 coulombs. Siendo que un electrón es el portador de carga eléctrica más pequeño conocido, esta última cifra de carga para el electrón se define como la carga elemental .
Se descubrió mucho más tarde que este “fluido” en realidad estaba compuesto de trozos de materia extremadamente pequeños llamados electrones , llamados así en honor de la antigua palabra griega para ámbar: otro material que exhibe propiedades cargadas cuando se frota con tela
La composición del átomo
La experimentación ha revelado desde entonces que todos los objetos están compuestos de “bloques de construcción” extremadamente pequeños conocidos como átomos y que estos átomos están compuestos a su vez de componentes más pequeños conocidos como [19459008 ] partículas . Las tres partículas fundamentales que comprenden la mayoría de los átomos se llaman protones , neutrones y electrones . Mientras que la mayoría de los átomos tienen una combinación de protones, neutrones y electrones, no todos los átomos tienen neutrones; un ejemplo es el isótopo de protio (1H1) de hidrógeno (Hidrógeno-1), que es la forma más ligera y más común de hidrógeno que solo tiene un protón y un electrón. Los átomos son demasiado pequeños para ser vistos, pero si pudiéramos mirar uno, podría parecer algo así:
Aunque cada átomo en una pieza de material tiende a mantenerse unido como una unidad, en realidad hay mucho espacio vacío entre los electrones y el grupo de protones y neutrones que residen en el medio.
Este modelo crudo es el del elemento carbono, con seis protones, seis neutrones y seis electrones. En cualquier átomo, los protones y los neutrones están muy unidos, lo cual es una cualidad importante. El grupo estrechamente unido de protones y neutrones en el centro del átomo se llama núcleo , y el número de protones en el núcleo de un átomo determina su identidad elemental: cambiar el número de protones en el núcleo de un átomo, y cambias el tipo de átomo que es. De hecho, si pudieras eliminar tres protones del núcleo de un átomo de plomo, ¡habrías logrado el sueño de los viejos alquimistas de producir un átomo de oro! La fuerte unión de los protones en el núcleo es responsable de la identidad estable de los elementos químicos y del fracaso de los alquimistas para lograr su sueño.
Los neutrones son mucho menos influyentes en el carácter químico y la identidad de un átomo que los protones, aunque son tan difíciles de agregar o eliminar del núcleo, ya que están muy unidos. Si se agregan o se obtienen neutrones, el átomo conservará la misma identidad química, pero su masa cambiará ligeramente y puede adquirir propiedades nucleares extrañas, como la radiactividad.
Sin embargo, los electrones tienen mucha más libertad para moverse en un átomo que los protones o los neutrones. De hecho, pueden ser eliminados de sus respectivas posiciones (¡incluso dejando el átomo por completo!) Con mucha menos energía que la que se necesita para desalojar partículas en el núcleo. Si esto sucede, el átomo aún conserva su identidad química, pero se produce un desequilibrio importante. Los electrones y los protones son únicos por el hecho de que se atraen entre sí a cierta distancia. Es esta atracción a la distancia la que causa la atracción entre los objetos frotados, donde los electrones se alejan de sus átomos originales para residir alrededor de los átomos de otro objeto.
Los electrones tienden a repeler otros electrones a cierta distancia, al igual que los protones con otros protones. La única razón por la que los protones se unen en el núcleo de un átomo es debido a una fuerza mucho más fuerte llamada fuerza nuclear que tiene efecto solo a distancias muy cortas. Debido a este comportamiento de atracción / repulsión entre partículas individuales, se dice que los electrones y los protones tienen cargas eléctricas opuestas. Es decir, cada electrón tiene una carga negativa y cada protón tiene una carga positiva. En números iguales dentro de un átomo, contrarrestan la presencia del otro para que la carga neta dentro del átomo sea cero. Esta es la razón por la cual la imagen de un átomo de carbono tiene seis electrones: para equilibrar la carga eléctrica de los seis protones en el núcleo. Si los electrones se van o llegan electrones adicionales, la carga eléctrica neta del átomo se desequilibrará, dejando el átomo “cargado” como un todo, haciendo que interactúe con partículas cargadas y otros átomos cargados cercanos. Los neutrones no son atraídos ni repelidos por electrones, protones o incluso otros neutrones y, en consecuencia, se clasifican como sin carga.
El proceso de llegada o salida de electrones es exactamente lo que sucede cuando ciertas combinaciones de materiales se frotan juntas: el roce obliga a los electrones de los átomos de un material a abandonar sus respectivos átomos y transferirlos a los átomos del otro material . En otras palabras, los electrones comprenden el “fluido” hipotetizado por Benjamin Franklin.
¿Qué es la electricidad estática?
El resultado de un desequilibrio de este “fluido” (electrones) entre objetos se llama electricidad estática . Se llama “estático” porque los electrones desplazados tienden a permanecer estacionarios después de ser movidos de un material aislante a otro. En el caso de la cera y la lana, se determinó mediante experimentación adicional que los electrones de la lana se transfirieron realmente a los átomos de la cera, ¡lo cual es exactamente lo opuesto a la conjetura de Franklin! En honor a la designación de Franklin de que la carga de cera es “negativa” y la carga de la lana es “positiva”, se dice que los electrones tienen una influencia de carga “negativa”. Por lo tanto, se dice que un objeto cuyos átomos han recibido un exceso de electrones está cargado negativamente , mientras que un objeto cuyos átomos carecen de electrones está cargado positivamente , tan confuso como estos pueden parecer designaciones. Para cuando se descubrió la verdadera naturaleza del “fluido” eléctrico, la nomenclatura de carga eléctrica de Franklin estaba demasiado bien establecida como para poder cambiarla fácilmente, por lo que sigue siendo hasta el día de hoy.
Michael Faraday demostró (1832) que la electricidad estática era la misma que la producida por una batería o un generador. La electricidad estática es, en su mayor parte, una molestia. El polvo negro y el polvo sin humo tienen grafito agregado para evitar la ignición debido a la electricidad estática. Causa daños a los circuitos semiconductores sensibles. Si bien es posible producir motores alimentados por características de alta tensión y baja corriente de electricidad estática, esto no es económico. Las pocas aplicaciones prácticas de la electricidad estática incluyen la impresión xerográfica, el filtro de aire electrostático y el generador Van de Graaff de alto voltaje.
REVISIÓN:
- Todos los materiales están formados por pequeños “bloques de construcción” conocidos como átomos .
- Todos los átomos naturales contienen partículas llamadas electrones , protones y neutrones , con la excepción del isótopo de protio ( 1 H 1 ) de hidrógeno.
- Los electrones tienen una carga eléctrica negativa (-).
- Los protones tienen una carga eléctrica positiva (+).
- Los neutrones no tienen carga eléctrica.
- Los electrones se pueden desalojar de los átomos mucho más fácilmente que los protones o los neutrones.
- El número de protones en el núcleo de un átomo determina su identidad como un elemento único.
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