Electrosttica

Benjamin Franklinhaciendo un experimento con unrayo, que no es otra cosa que un fenmeno electrosttico macroscpico.Laelectrostticaes la rama de laFsicaque analiza los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga elctrica, es decir, el estudio de las cargas elctricas en equilibrio. La carga elctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenmenos electrostticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.Histricamente, la electrosttica fue la rama delelectromagnetismoque primero se desarroll. Con la postulacin de laLey de Coulombfue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir delsiglo XVII, y ya en la segunda mitad delsiglo XIXlasleyes de Maxwellconcluyeron definitivamente su estudio y explicacin, y permitieron demostrar cmo las leyes de la electrosttica y las leyes que gobiernan losfenmenos magnticospueden ser estudiadas en el mismo marco terico denominadoelectromagnetismo.

Desarrollo histrico[editar]

Representacin de campo elctrico producido por dos cargas.Alrededor del 600 a. C., el filsofo griego Tales de Mileto descubri que si frotaba un trozo de la resina vegetal fsil llamada mbar, en griego lektron, este cuerpo adquira la propiedad de atraer pequeos objetos. Algo ms tarde, otro griego, Teofrasto (310 a. C.), realiz un estudio de los diferentes materiales que eran capaces de producir fenmenos elctricos y escribi el primer tratado sobre la electricidad.

A principios del siglo XVII comienzan los primeros estudios sobre la electricidad y el magnetismo orientados a mejorar la precisin de la navegacin con brjulas magnticas. El fsico real britnico William Gilbert utiliza por primera vez la palabra electricidad, creada a partir del trmino griego elektron (mbar). El jesuita italiano Niccolo Cabeo analiz sus experimentos y fue el primero en comentar que haba fuerzas de atraccin entre ciertos cuerpos y de repulsin entre otros.

Alrededor de 1672 el fsico alemn Otto von Guericke construye la primera mquina electrosttica capaz de producir y almacenar energa elctrica esttica por rozamiento. Esta mquina consista en una bola de azufre atravesada por una varilla que serva para hacer girar la bola. Las manos aplicadas sobre la bola producan una carga mayor que la conseguida hasta entonces. Francis Hawksbee perfeccion hacia 1707 la mquina de friccin usando una esfera de vidrio.

En 1733 el francs Francois de Cisternay du Fay propuso la existencia de dos tipos de carga elctrica, positiva y negativa, constatando que:

Los objetos frotados contra el mbar se repelen.Tambin se repelen los objetos frotados contra una barra de vidrio.Sin embargo, los objetos frotados con el mbar atraen los objetos frotados con el vidrio.Du Fay y Stephen Gray fueron dos de los primeros "fsicos elctricos" en frecuentar plazas y salones para popularizar y entretener con la electricidad. Por ejemplo, se electriza a las personas y se producen descargas elctricas desde ellas, como en el llamado beso elctrico: se electrificaba a una dama y luego ella daba un beso a una persona no electrificada.1

En 1745 se construyeron los primeros elementos de acumulacin de cargas, los condensadores, llamados incorrectamente por anglicismo capacitores, desarrollados en la Universidad de Leyden (hoy Leiden) por Ewald Jrgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck. Estos instrumentos, inicialmente denominados botellas de Leyden, fueron utilizados como curiosidad cientfica durante gran parte del siglo XVIII. En esta poca se construyeron diferentes instrumentos para acumular cargas elctricas, en general variantes de la botella de Leyden, y otros para manifestar sus propiedades, como los electroscopios.

En 1767, Joseph Priestley public su obra The History and Present State of Electricity sobre la historia de la electricidad hasta esa fecha. Este libro sera durante un siglo el referente para el estudio de la electricidad. En l, Priestley anuncia tambin alguno de sus propios descubrimientos, como la conductividad del carbn. Hasta entonces se pensaba que slo el agua y los metales podan conducir la electricidad.2

En 1785 el fsico francs Charles Coulomb public un tratado en el que se describan por primera vez cuantitativamente las fuerzas elctricas, se formulaban las leyes de atraccin y repulsin de cargas elctricas estticas y se usaba la balanza de torsin para realizar mediciones. En su honor, el conjunto de estas leyes se conoce con el nombre de ley de Coulomb. Esta ley, junto con una elaboracin matemtica ms profunda a travs del teorema de Gauss y la derivacin de los conceptos de campo elctrico y potencial elctrico, describe la casi totalidad de los fenmenos electrostticos.

Durante todo el siglo posterior se sucedieron avances significativos en el estudio de la electricidad, como los fenmenos elctricos dinmicos producidos por cargas en movimiento en el interior de un material conductor. Finalmente, en 1864 el fsico escocs James Clerk Maxwell unific las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemticas.

Electricidad esttica[editar]Artculo principal: Electricidad estticaLa electricidad esttica es un fenmeno que se debe a una acumulacin de cargas elctricas en un objeto. Esta acumulacin puede dar lugar a una descarga elctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.

Antes del ao 1832, que fue cuando Michael Faraday public los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los fsicos pensaban que la electricidad esttica era algo diferente de la electricidad obtenida por otros mtodos. Michael Faraday demostr que la electricidad inducida desde un imn, la electricidad producida por una batera, y la electricidad esttica son todas iguales.

La electricidad esttica se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plstico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energticos ms favorables. O cuando partculas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satlites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiacin de Van Allen. La capacidad de electrificacin de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboelctrico; existe una clasificacin de los distintos materiales denominada secuencia triboelctrica.

La electricidad esttica se utiliza comnmente en la xerografa, en filtros de aire, en algunas pinturas de automvil, en algunos aceleradores de partculas subatmicas, etc. Los pequeos componentes de los circuitos elctrnicos pueden daarse fcilmente con la electricidad esttica. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestticos y embalajes especiales para evitar estos daos. Hoy la mayora de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los ms delicados, incluyen circuitos internos de proteccin antiesttica.

Aislantes y conductores[editar]Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga elctrica. As, una varilla metlica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, s es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio o de plstico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicacin es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las ira descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plstico no permiten la circulacin de cargas porque aslan elctricamente la varilla metlica del cuerpo humano.

Esto se debe a que en ciertos materiales, tpicamente en los metales, los electrones ms alejados de los ncleos respectivos adquieren fcilmente libertad de movimiento en el interior del slido. Estos electrones libres son las partculas que transportarn la carga elctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la prdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores.

En contrapartida de los conductores elctricos, existen materiales en los que los electrones estn firmemente unidos a sus respectivos tomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no ser posible el desplazamiento de carga a travs de ellos. Al depositar una carga elctrica en ellos, la electrizacin se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dielctricos. El vidrio y los plsticos son ejemplos tpicos.

La distincin entre conductores y aislantes no es absoluta: la resistencia de los aislantes no es infinita (pero s muy grande), y las cargas elctricas libres, prcticamente ausentes de los buenos aislantes, pueden crearse fcilmente suministrando la cantidad adecuada de energa para separar a un electrn del tomo al que est ligado (por ejemplo, mediante irradiacin o calentamiento). As, a una temperatura de 3000 K, todos los materiales que no se descomponen por la temperatura, son conductores.

Entre los buenos conductores y los dielctricos existen mltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricacin de dispositivos electrnicos que son la base de la actual revolucin tecnolgica. En condiciones ordinarias se comportan como dielctricos, pero sus propiedades conductoras se modifican mediante la adicin de una minscula cantidad de sustancias dopantes. Con esto se consigue que pueda variarse la conductividad del material semiconductor como respuesta a la aplicacin de un potencial elctrico variable en su electrodo de control.

Ciertos metales adquieren una conductividad infinita a temperaturas muy bajas, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente elctrica de circuito cerrado en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

Carga por friccin[editar]En la carga por friccin se transfiere gran cantidad de electrones porque la friccin aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones ms internos de un tomo estn fuertemente unidos al ncleo, de carga opuesta, pero los ms externos de muchos tomos estn unidos muy dbilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el tomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los tomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.