La Cubeta de Faraday

Mmm... la cubeta de Faraday, un experimento tan simple que hasta me costó entenderlo jajaja pero finalmente en base a explicaciones del maestro, un compañero y de investigar pude hacer conclusiones de lo que entendí.

Faraday realizó un experimento muy sencillo utilizando como conductor hueco el recipiente metálico donde guardaba el hielo que empleaba en el laboratorio. El propósito del experimento es mostrar la inducción electrostática. Se montó una cubeta metálica encima de un electroscopio . Se introdujo un cuerpo metálico cargado positivamente(rojas). Inmediatamente se observa un movimiento en el electroscopio que detecta la presencia de la carga desde el exterior. Una carga opuesta negativa aparece en la superficie interna de la hielera en tanto que la superficie externa queda cargada positivamente. La carga del exterior de la cubeta es independiente de la ubicación del cuerpo cargado que introducido.

En resumen demostró que las cargas inducidas son siempre de igual magnitud pero de signo opuesto entre ellas y la carga inductora, y que además las líneas de campo eléctrico logran atravesar superficies.

La Fotocopiadora

En 1903, el norteamericano G. C. Beidler descubrió el modo de hacer la reproducción rápida de un documento por revelado instantáneo de un negativo fotográfico, técnica que patentó en 1906. Este revelado rápido dio origen a las primeras fotocopias.

¿Cómo funciona una fotocopiadora?
La fotocopiadora es un aparato que proporciona instantáneamente copias de cualquier documento. Existen dos tipos principales de fotocopiadoras: las xerográficas, que utilizan papel normal, y las electrostáticas, que requieren un papel sensible especial. La fotocopiadora común de oficina usa un proceso conocido como xerografía, término que se deriva de palabras que en griego antiguo significan "escritura seca". Funciona por un tipo de fotografía eléctrica.

En la fotocopiadora xerográfica hay un tambor giratorio de metal recubierto con un material que conduce electricidad si la luz incide sobre él. Este tambor cuando está oscuro, gira frente a un alambrito que conduce carga eléctrica de alto voltaje, lo que hace que el tambor se cargue con electricidad estática.

Básicamente, entendí que cuando una luz brillante ilumina el documento que debe ser copiado la imagen se proyecta en un espejo y el tambor electriza las zonas que corresponden a partes negras, donde la luz no llega, mientras que un fino polvo negro llamado toner, tiene carga opuesta, es atraído hacia las áreas cargadas del tambor. en cambio en las partes donde no hay imagen y que son blancas, la luz quita la carga por tanto no existe atracción con el toner.

En las copiadoras electrostáticas la imagen a reproducir se proyecta directamente sobre el papel, cuya superficie queda sensibilizada con cargas eléctricas. El papel se somete luego a un baño de toner y las partículas se fijan en las zonas electrizadas de éste dando lugar a la copia definitiva.

Experimento de la gota de aceite de Millikan

La primera medición directa de la electrón fue a través del experimento de la gota de aceite. Usando un atomizador de carga eléctrica de un perfume, Millikan, desparramó pequeñas gotas de aceite dentro de una cámara transparente.

En las partes superior e inferior había placas metálicas unidas a una batería, siendo una positiva y la otra negativa. Cuando el espacio entre las placas metálicas era ionizado por rayos X, los electrones del aire se pegaban a las gotitas de aceite, adquiriendo éstas una carga negativa. Como cada gotita adquiría una leve carga de electricidad a medida que viajaba a través del aire, la velocidad de su movimiento podía ser controlada alterando el voltaje entre las placas hasta contrarrestar el peso de la gotita.

Millikan observó gotita tras gotita, variando el voltaje y notando el efecto. Con este cálculo solo faltaba conocer la masa para conocer la carga. Entonces se propuso a encontrar tanto la densidad como el volumen para hallar la masa. Millikan logró hallar la densidad del aceite y pudo comprobar que las gotitas eran perfectamente esféricas. El volumen de la esfera está en función del radio que Millikan logró encontrar mediante una fórmula relacionando el radio de una esfera con la gravedad ya que desconectó la corriente para ver en cuanto tiempo caía la gota por efectos de la gravedad.

Entonces repitió el experimento centenares de veces y todos los resultados demostraron ser simples múltiplos (entre 5 y 20 veces) de una carga básica: 1.602 x 10-19 C.

Campos magnéticos de la Tierra

ELa tierra genera un campo magnético en el rango de aproximadamente 0,30000 a 0,65000G (= Gauss, o Oersted). En el siglo XIX Karl Gauss demostró que el campo magnético de la Tierra tenía su origen en su interior. El campo magnético de la Tierra es muy aproximadamente el de un dipolo magnético, tiene cargas negativas en el polo norte y cargas positivas en el polo sur.

Hay dos puntos en donde las líneas de fuerza son verticales. Éstos son los polos magnéticos, si el dipolo está centrado en la Tierra éstos están a 180º el uno del otro. Los polos magnéticos de la Tierra están separados de los polos geográficos por alrededor de 18º.

Con el magnetómetro, se miden las variaciones del campo magnético de la Tierra, provocadas localmente por objetos férricos.Los campos electromagnéticos se miden mediante una antena trasmisora y otra receptora. La antena trasmisora emite una corriente alterna creando así un campo magnético primario. Si este campo se sitúa sobre un buen conductor, éste a su vez genera un campo magnético secundario. La antena receptora recibe el campo magnético combinado pudiendo medir la conductividad geoeléctrica del subsuelo en el punto donde se ha producido la medición. Creo que el clima puede influenciar tal vez porque como son antenas, las cargas de la tierra como vimos en la sección que hablamos de los rayos, son diferentes cuando hay buen tiempo o tormenta.

En la actualidad gracias a las observaciones de satélites artificiales equipados con magnetómetros vectoriales de gran alcance y precisión se ha aportado un esquema completo
del campo magnético de la Tierra.Únicamente las medidas por satélite pueden permitirnos cartografiar en su totalidad el campo magnético terrestre, así como su cmabio a través de los años, esto debido a la visión global que posee este tipo de tecnología.

Otro dato interesante, es acerca de la relación de los campos magnéticos con la aurora boreal. El viento solar, puede tener varios efectos sobre nuestra vida en la Tierra. Es una especie de viento de materia o de gas ionizado que se llama plasma. Este plasma está contenido en la corona solar, cuya temperatura puede alcanzar los dos millones de grados. Este viento afecta la estructura dipolar del campo magnético pues extiende el campo magnético del Sol. En el lado que mira hacia el Sol las líneas de fuerza se comprimen hacia la Tierra, mientras que en el lado opuesto son empujadas en dirección contraria al Sol formando una larga cola.

El campo magnético terrestre o magnetósfera, representa una protección o pantalla contra las partículas del viento solar.

En los momentos de mayor debilidad del campo magnético, las partículas de alta energía procedentes mayoritariamente del Sol pueden atravesarlo pero no tienen un gran efecto al nivel de la superficie de la Tierra, pero son las que producen las famosas auroras boreales visibles desde los polos. Afortunadamente, el campo magnético protege la Tierra de la "lluvia" de protones y electrones. Sin embargo, no ocurre lo mismo al nivel de la magnetosfera, así pueden producirse daños sobre los aparatos que se encuentran en esta zona, es decir los satélites de comunicación.

La Electricidad y las cargas eléctricas

La electricidad es un fenómeno originado por el movimiento que experimentan los electrones, partículas de masa muy pequeña que se encuentran entorno al núcleo del átomo.

La carga eléctrica es una de las propiedades básicas de la materia. En realidad, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos: moléculas, átomos y partículas elementales. Se demuestra su existencia mediante un sencillo experimento en el año 600 a. C. en el que los filósofos griegos obsevaron que una barra de ámbar frotado atrae pequeños pedacitos de paja u otro material ligero (electrización por frotamiento).

En su experimento Millikan, hacía caer una rociada fina de gotas de aceite muy pequeñas entre dos placas metálicas. El aire entre las placas era irradiado con rayos-X y éstos provocaban arrancaban electrones de moléculas de nitrógeno y oxígeno. Algunos de los electrones liberados colisionaban con las gotas de aceite y podían quedar adheridos a ellas, con lo que conferían a la gota que caía una carga negativa. Conociendo la carga de las placas y haciendo uso de la ley de Coulomb, Millikan fue capaz de calcular la carga que portaba la gota.


Tipos de Redistribución de cargas
§ Por contacto: se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga.

§ Por frotamiento: al frotar dos cuerpos, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

§ Por inducción: ocurre cuando se acerca un objeto cargado a otro neutro, y se ocasiona la separación de las cargas dentro de él, como un dipolo inducido, las cargas opuestas al objeto inductor tratan de acercarse.

§ Por electrólisis: se da cuando las sustancias se separan en iones positivos y negativos al encontrarse en solución. Si se ponen un ánodo y un cátodo, los iones positivos se sentirán atraídos al ánodo y los iones negativos al cátodo.

§ Efecto fotoeléctrico : ocurre cuando se liberan electrones al haber una fuente de luz presente irradiando a un objeto y este absorbe la luz.

§ Efecto Termoeléctrico: ocurre cuando se aplica calor entre dos materiales unidos. Si hay una diferencia de temperatura entre ambos, la corriente eléctrica va a fluir por la diferencia de temperatura


Coulomb y su Ley
Charles Agustín Coulomb (1736-1806). Físico francés que encontró que las cargas eléctricas se atraen o repelen con una fuerza que es proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Dos cargas de signos contrarios se atraen y dos de signos iguales se repelen.

Para comprobar la ley que lleva su nombre, Coulomb inventó la balanza de torsión, con una sensibilidad capaz de medir fuerzas de 0.00001 gramos, que fue durante más de un siglo el instrumento de mayor precisión para medir fuerzas.

Historia de la Electricidad
§ Tales de Mileto (630-550 AC) fue el primero, que cerca del 600 AC,conociera el hecho de que el ámbar, al ser frotado adquiere el poder de atracción sobre algunos objetos.

§ En 1733 El Francés François de Cisternay Du Fay fue el primero en identificar la existencia de dos cargas eléctricas: Positiva y Negativa

§ En 1776 Charles Agustín de Coulomb (1736-1806) inventó la balanza de torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas.

§ Galvani produjo contracciones musculares en las patas de una rana aplicándoles una corriente eléctrica.

§ En 1800, Volta presentó la primera fuente electroquímica artificial de diferencia de potencial, un tipo de pila eléctrica o batería.

§ Andrés María Ampère (1775-1836). Físico y matemático francés. Formuló una con la que ley se puede encontrar en todo punto del espacio el campo magnético producido por una corriente eléctrica que circule por un alambre de cualquier forma.

§ Michael Faraday (1791-1867). Físico y químico inglés Faraday estudió el fenómeno de la electrólisis y encontró las leyes que lo rigen. Faraday se ocupó también de los fenómenos electromagnéticos y consideró que si las corrientes eléctricas producen campos magnéticos, los campos magnéticos deberían producir corrientes eléctricas. Esto lo condujo a formular su descubrimiento más importante: la ley de Faraday.

§ James Clerk Maxwell físico matemático británico investigó las propiedades de las ondas electromagnéticas y la luz y desarrolló la teoría de que ambas tienen la misma naturaleza.

Mecanismo de un Rayo

¿Cae el rayo a la Tierra o asciende a la nube?

Después de investigar diversas fuentes, llegué a comprender en su totalidad como ocurría el proceso, aunque tuve mucho problema para lograr saber realmente cuál es la carga de la Tierra.
En un cielo tranquilo existen cargas negativas y positivas que están mezcladas en la atmósfera por lo que hay una carga neutra. La cosa es que cuando ocurre una tormenta las nubes se convierten en un dipolo, esto ocurre porque las corrientes de aire empujan hacia abajo los cristales de hielo más pesados cuya carga es negativa, mientras que empuja hacia arriba los cristales pequeños, por lo cual hay una diferencia de cargas dentro de la nube, o sea diferencia de potencial.
Entendí que de manera regular, cuando hay buen tiempo, la carga de la Tierra es negativa y atrae iones positivos de la atmósfera, pero por el aire a veces esta carga se disipa y el mecanismo para recuperar esta carga es por medio de la electricidad que se genera con el rayo. Entonces durante una tormenta, Tierra adquiere una carga positiva, es por ello que las cargas negativas de la parte inferior de la nube se sienten atraídas. La carga negativa baja y se forma lo que se llama escalera de peldaños y por ahí empiezan a subir las cargas positivas, y al encontrarse, una fuerte corriente eléctrica lleva carga positiva de vuelta a la nube. El proceso ocurre varias veces en una sola descarga por eso se ven varios relámpagos y rayos seguidos.