INTRODUCCIÓN
Todos los enunciados se los hará a partir de un grupo de experimentos, con
la ayuda de los cuales, se formularán ciertas “LEYES”, válidas para situaciones
particulares. A la luz de nuevos
experimentos, se formularán las leyes más generales del electromagnetismo:
“Las Ecuaciones de Maxwell”, conocidas así, por el nombre de su
descubridor: James Clerk MAXWELL.
Los primeros fenómenos de
origen eléctrico que el hombre estudió, fueron los relacionados con cierta propiedad
que adquieren algunos cuerpos cuando se frotan; así, por ejemplo, los antiguos
griegos notaron que el ámbar, al ser frotado con una piel de gato, adquiría la
propiedad de atraer cuerpos pequeños, haciéndoles creer que el ámbar tenía
propiedades mágicas que eran las causantes del fenómeno.
Durante siglos, cuando un
cuerpo se comportaba en la misma forma que el ámbar, se decía que había
adquirido una carga eléctrica; expresión que tiene su origen en la palabra
griega “elektron”, nombre con el cual se designaba el ámbar. Fue hasta la época del Renacimiento cuando
los investigadores realizaron ciertos experimentos que les permitieron
establecer las primeras leyes cualitativas y finalmente en 1785, Charles
Augustin de Coulomb, estableció la ley cuantitativa que lleva su nombre
y que es la base en que se estructura el estudio de la Electricidad, siendo
esta, la categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de carga
eléctrica y por la interacción de las mismas.
Cuando frotamos un bolígrafo
de plástico o una varilla de caucho duro (ebonita) con un tejido de lana, aquel
puede atraer pequeñas partículas de papel, levantándolas, superando de esta
manera la fuerza de atracción gravitacional.
El comportamiento descrito anteriormente no es propio solamente de los
plásticos, ya que se puede presentar un fenómeno similar, si frotamos una
varilla de vidrio con una tela de seda.
De modo más general, los
experimentos demuestran que dos varillas de vidrio, al frotarse ambas con una
paño de seda, se repelen entre sí. Sin
embargo, si una varilla de caucho duro frotada con un tejido de lana, se pone
cerca de una varilla de vidrio frotada con seda, descubrimos que se
atraen. En ambos casos, la fuerza entre
las varillas disminuye, al aumentar la distancia de separación entre ellas.
Esta propiedad de atracción
o repulsión de un sólido frotado, en relación a una varilla de vidrio o caucho
duro, se describe diciendo que esos cuerpos poseen una carga eléctrica. Por todo lo expuesto anteriormente, es
evidente que existen por lo menos dos clases de carga eléctrica. Siguiendo la convención presentada
originalmente por Benjamín Franklin, que aquellos cuerpos que
tienen un comportamiento similar al de la varilla de vidrio frotada con seda,
tienen carga positiva o vidriosa, y, aquellos cuerpos que tienen un
comportamiento similar al de la varilla de caucho duro o ebonita, frotada con
lana, tienen carga negativa.
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Dos varillas con cargas del mismo signo se repelen. Para observarlo pueden frotarse dos varillas del mismo material (por ejemplo, vidrio) empleando el mismo método (por ejemplo, un paño de seda). Al ser del mismo material y haber sido frotadas de la misma forma, las varillas adquieren cargas del mismo signo. Si se cuelga una varilla de un hilo de forma que pueda girar y se le acerca la otra, la primera gira alejándose de la segunda, lo que demuestra que las cargas se repelen. Si las dos varillas tuvieran cargas de signo opuesto, la primera se acercaría a la segunda, puesto que las cargas de distinto signo se atraen. |
Con los resultados descritos
anteriormente, se puede establecer la ley cualitativa, que dice: “Cargas eléctricas
de igual clase se repelen y cargas eléctricas de distinta clase se atraen”.
La teoría atómica, nos dice
que todos los cuerpos están formados por pequeñísimos sistemas de partículas,
llamados átomos. Actualmente existen
diversas formas de explicar la constitución de un átomo, pero entre ellas, la
propuesta por el físico danés Niels Borh, produce una imagen muy
adecuada para explicar los fenómenos eléctricos. En vista de esta ventaja, estudiaremos en sus partes
fundamentales la estructura atómica propuesta por Borh.
Todo átomo está constituido por un núcleo, en torno al cual giran a gran
velocidad, partículas llamadas electrones; de acuerdo con esta descripción, se
puede imaginar al átomo como un diminuto sistema solar, en el cual, el núcleo
representa al Sol y los electrones a los planetas. El núcleo a su vez está formado por una agrupación de partículas,
entre las cuales se pueden mencionar: los protones, los neutrones y los
positrones.
Con el fin de explicar los diferentes fenómenos que se producen, a cada
partícula atómica se le atribuyen ciertas propiedades físicas, como las
siguientes:
El protón es una partícula que tiene una
masa aproximada de 1.672x10-27 [Kg], con una carga eléctrica
positiva de 1.60219x10-19 [C].
El neutrón es una partícula que tiene una
masa aproximadamente igual a la del protón, pero carece de carga eléctrica.
El electrón es una
partícula que tiene una masa aproximada de 9.11x10-31 [Kg],
es decir 1,840 veces menor que la masa del protón, con una carga eléctrica
igual a la del protón, pero de signo negativo.
El positrón, también llamado electrón
positivo o antielectrón, es una partícula elemental de antimateria,
llamado por también antipartícula, con una masa igual a la del electrón y una
carga eléctrica positiva de 1.60219x10-19 [C]. Cuando se unen un electrón y un positrón,
sus masas se transforman en energía, que se manifiesta como una radiación,
llamada fotón, los pares electrón-positrón pueden formarse cuando
rayos gamma de energías superiores a un millón de electronvoltios colisionan
con partículas de materia. El proceso inverso de la producción de pares,
llamado aniquilación, tiene lugar cuando un electrón y un
positrón interaccionan destruyéndose mutuamente y produciendo rayos gamma.
Los átomos de cada sustancia, tienen un número determinado de protones y
neutrones; en su estado neutro, el número de electrones es el mismo que el
número de protones, de tal manera que un átomo en su estado normal, es
eléctricamente neutro. Si se tienen dos
átomos que sólo difieren en el número de neutrones, se dice que son isótopos.
El átomo de un elemento puede tener uno o más estratos, dependiendo de
su complejidad, pero en el caso de tener más de dos estratos, el último se
satura siempre con un máximo de ocho electrones; este último estrato es el que
determina las características químicas y eléctricas del elemento. Todo átomo trata de conservar su estado
neutro, pero cuando por alguna causa externa se presentan condiciones en las
que se altera el equilibrio eléctrico, el átomo siempre trata de llegar a un
estado en el cual su último estrato se sature, por lo que los átomos que tienen
menos de cuatro electrones en su última capa, los ceden con cierta facilidad,
mientras que aquellos que tienen más de cuatro electrones, tratan de captar los
faltantes para saturar su último estrato.
El grado de dificultad que presentan los átomos de una sustancia para
desprenderse de sus electrones superficiales ha dado origen a la clasificación
de las sustancias en conductoras y aisladoras.
La imagen del átomo descrita anteriormente, nos sirve para explicar
desde un punto de vista macroscópico, los fenómenos eléctricos y químicos, pero
desde el punto de vista del desarrollo de la Física moderna, se ha encontrado
más adecuada definir al átomo como una estructura compleja que no admite la
representación esquemática, pero que en forma general, se considera como
constituido por ondas y corpúsculos asociados en forma no determinada con
precisión aún en nuestros días, lo que ha hecho necesario proceder en forma
estadística más que en forma determinista.
Desde el punto de vista de la Mecánica Ondulatoria, el electrón se
considera moviéndose lentamente dentro de su onda en una región cuasiesférica
de radio del orden de 10-15 metros.
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Aspecto ondulatorio del electrón Estos puntos son generados por un haz de electrones después de atravesar
una aleación de titanio y níquel, ser dispersado por los átomos de la
aleación y llegar a un detector. Inicialmente, el haz es estrecho, pero
después de atravesar la aleación se extiende y cubre una zona circular. Los
electrones no cubren dicha zona uniformemente, sino que se concentran en
determinados lugares (los puntos). Este comportamiento presenta dos
propiedades típicas de las ondas: difracción e interferencia. La difracción
se produce cuando el haz de electrones choca con un átomo y se divide en
muchos haces. La interferencia se produce cuando dichos haces se solapan
reforzándose en algunos lugares y anulándose en otros. En el primer caso se
forman puntos, y en el segundo zonas oscuras. Esto confirma que los
electrones se comportan como ondas además de como partículas. |