Conservación de la carga: conducción, inducción y polarización
Olivia frota un globo contra su cabello y lo pega a la pared. La pared es neutra, el globo también lo era hace un momento. ¿De dónde salió la carga, y por qué un objeto neutro se queda pegado a uno cargado? Al final de la página lo explicamos.
La carga y quién se mueve
Toda la materia está hecha de átomos con tres tipos de partículas: protones (carga positiva), neutrones (sin carga) y electrones (carga negativa). Los protones están fijos en el núcleo. Los electrones externos son los que pueden salirse de un átomo y pasar a otro objeto.
Un objeto neutro tiene tantos protones como electrones. Un objeto queda cargado cuando tiene un desequilibrio:
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Si gana electrones, queda con carga neta negativa.
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Si pierde electrones, queda con carga neta positiva.
La carga se mide en coulombs (C). Todas las cargas son múltiplos de la carga del electrón: $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$. Un objeto con $N$ electrones de más tiene carga $q = -N e$. En la práctica se usan $\mu\text{C}$ ($10^{-6}\ \text{C}$) y $\text{nC}$ ($10^{-9}\ \text{C}$).
Sofia frota una barra de plástico con un trozo de piel, y la barra queda cargada negativamente. Explica qué tipo de partícula cargada se movió entre la piel y la barra,…
Sofia frota una barra de plástico con un trozo de piel, y la barra queda cargada negativamente. Explica qué tipo de partícula cargada se movió entre la piel y la barra, e indica si la piel queda cargada positivamente, cargada negativamente o neutra.
Olivia frota un globo contra su cabello. Luego el globo se pega a una pared neutra. El globo ganó $5.0 \times 10^{10}$ electrones, cada uno con una carga de magnitud…
Olivia frota un globo contra su cabello. Luego el globo se pega a una pared neutra. El globo ganó $5.0 \times 10^{10}$ electrones, cada uno con una carga de magnitud $1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
- a) Halla la carga neta del globo, incluyendo su signo.
- b) Halla la carga neta de su cabello, suponiendo que solo el globo y el cabello intercambiaron carga.
- c) Explica por qué el globo se pega a la pared aunque la pared sea neutra.
Conductores, aislantes y reparto de carga por contacto
En un conductor (metales) los electrones se mueven con libertad por todo el material. En un aislante (plástico, vidrio, caucho, seda) los electrones casi no se mueven: la carga se queda donde se puso.
La conducción es cargar un objeto tocándolo con otro cargado. Los electrones pasan de un objeto al otro, y el objeto neutro queda con carga del mismo signo que la barra.
Cuando dos esferas metálicas idénticas se tocan, la carga total se reparte en partes iguales:
$$q_{final} = \frac{q_1 + q_2}{2}$$Dos esferas metálicas idénticas tienen cargas de $+6.0\ \mu\text{C}$ y $-2.0\ \mu\text{C}$. Se ponen en contacto y luego se separan. a) Halla la carga de cada esfera…
Dos esferas metálicas idénticas tienen cargas de $+6.0\ \mu\text{C}$ y $-2.0\ \mu\text{C}$. Se ponen en contacto y luego se separan.
- a) Halla la carga de cada esfera después.
- b) Muestra que la carga total se conserva.
- c) Predice si las esferas se atraen o se repelen después.
Tienes tres esferas metálicas idénticas y aisladas, A, B y C. La esfera A tiene carga $+Q$, y B y C son neutras. Ethan toca A con B y las separa, luego toca B con C y…
Tienes tres esferas metálicas idénticas y aisladas, A, B y C. La esfera A tiene carga $+Q$, y B y C son neutras. Ethan toca A con B y las separa, luego toca B con C y las separa, y finalmente toca C con A.
- a) Halla la carga de cada esfera después de cada paso, en términos de $Q$.
- b) Verifica que la carga total es la misma después de cada paso.
- c) Halla la razón final entre la fuerza entre A y C y la fuerza que actuaría entre A y C si hubieran comenzado con $+Q$ y $0$ a la misma separación. Supón la misma separación en cada caso.
El electroscopio
Un electroscopio tiene una perilla metálica, un tallo metálico y dos laminillas metálicas finas que cuelgan juntas. Sirve para detectar carga. Si las laminillas tienen carga del mismo signo, se repelen y se separan: cuanta más carga, más se abren.
Con una barra negativa que toca la perilla, el electroscopio queda cargado negativamente (conducción). Las laminillas, con el mismo signo, se separan.
Un electroscopio neutro tiene las laminillas metálicas colgando juntas. Jayden toca la perilla metálica con una barra cargada negativamente. ¿Qué les pasa a las…
Un electroscopio neutro tiene las laminillas metálicas colgando juntas. Jayden toca la perilla metálica con una barra cargada negativamente. ¿Qué les pasa a las laminillas y por qué?
Inducción y conexión a tierra
La inducción carga un objeto sin tocarlo con la barra cargada. Queda con signo opuesto a la barra. El procedimiento tiene cuatro pasos:
La inducción también sirve con dos esferas que se tocan, A y B, donde A es la esfera más cercana a la barra: al acercar una barra positiva a A, los electrones se mueven hacia A y B queda con falta de electrones. Si se separan las esferas con la barra cerca y luego se retira la barra, A queda negativa y B positiva. La carga total sigue siendo cero, y lo que se movió fueron los electrones.
Clasifica cada situación como carga por conducción, carga por inducción o polarización: a) Una barra cargada toca una esfera metálica neutra y la esfera queda cargada.…
Clasifica cada situación como carga por conducción, carga por inducción o polarización:
- a) Una barra cargada toca una esfera metálica neutra y la esfera queda cargada.
- b) Una barra cargada se acerca, sin tocarlo, a un trozo de papel aislante neutro, y las cargas del papel se desplazan ligeramente.
- c) Una barra cargada se acerca a una esfera metálica neutra, la esfera se conecta brevemente a tierra y luego se retiran la conexión a tierra y la barra.
Dos esferas metálicas neutras idénticas, A y B, se tocan. Se acerca a A una barra de vidrio cargada positivamente, sin tocarla, y luego se separan las esferas mientras…
Dos esferas metálicas neutras idénticas, A y B, se tocan. Se acerca a A una barra de vidrio cargada positivamente, sin tocarla, y luego se separan las esferas mientras la barra sigue cerca. Por último se retira la barra.
- a) Indica el signo de la carga en A y en B.
- b) Explica cómo muestra este proceso la conservación de la carga.
- c) Identifica qué tipo de carga se movió realmente.
Polarización de aislantes
Un aislante no deja que los electrones viajen por él, pero sus átomos y moléculas se deforman: los electrones se desplazan un poco hacia un lado. Esto se llama polarización. El aislante sigue siendo neutro en conjunto, pero un lado queda un poco más positivo y el otro un poco más negativo.
Si acercas una barra negativa a un trozo de papel, los electrones del papel se alejan un poco de ella. El lado cercano a la barra queda ligeramente positivo, y el lado lejano, ligeramente negativo.
¿Por qué hay atracción neta? La fuerza eléctrica disminuye con la distancia. El lado positivo del papel está más cerca de la barra y es atraído con más fuerza que el lado negativo, que es repelido con menos fuerza. Gana la atracción.
Así se explica el globo de Olivia: el globo negativo polariza la pared neutra (su superficie cercana queda ligeramente positiva) y se atraen. Vuelve al principio: el globo no creó carga; la ganó del cabello. Y se pega a la pared sin que la pared esté cargada, porque se polariza.
En un museo de ciencias, Aaliyah toca un generador de Van de Graaff y se le paran los cabellos. Más tarde, un estudiante acerca una barra cargada negativamente a un…
En un museo de ciencias, Aaliyah toca un generador de Van de Graaff y se le paran los cabellos. Más tarde, un estudiante acerca una barra cargada negativamente a un electroscopio neutro, sin tocarlo, y las laminillas se separan.
- a) Explica por qué los cabellos de Aaliyah se separan, describiendo la carga de cada cabello y las fuerzas involucradas.
- b) En el electroscopio, describe hacia dónde se mueven las cargas en la perilla, el tallo y las laminillas, e indica la carga neta de todo el electroscopio.
- c) Explica cómo podrías usar la conexión a tierra para dejar el electroscopio con una carga positiva permanente, y describe qué hacen las laminillas en cada paso.
Van de Graaff
Un generador de Van de Graaff acumula carga en una esfera metálica. Cuando Aaliyah lo toca, recibe carga por conducción: cada cabello queda con carga del mismo signo que el generador. Como cargas iguales se repelen, los cabellos se separan unos de otros y se paran.
Resumen
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Solo los electrones se transfieren. Ganar electrones da carga negativa; perderlos, positiva. La carga total se conserva. $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$ y $q = \pm Ne$.
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Conducción: por contacto; el objeto queda con el mismo signo que la barra. Dos esferas metálicas idénticas reparten la carga total en partes iguales.
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Inducción: sin contacto, con tierra; el objeto queda con signo opuesto al de la barra. Se quita primero la tierra y luego la barra.
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Polarización: un aislante neutro se deforma y es atraído por cualquier objeto cargado, porque el lado cercano queda con carga opuesta.
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Un electroscopio detecta carga: laminillas con el mismo signo se separan.