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Aparatos electroestáticos.
Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff. En la física experimental, el electróforo es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador o capacitor de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática.
Electroscopio.
Un electroscopio es un dispositivo utilizado para detectar la existencia de cargas eléctricas en objetos cercanos. También indica el signo de la carga eléctrica; es decir, si se trata de una carga negativa o positiva. Este instrumento está conformado por una vara metálica confinada dentro de una botella de vidrio. Esta vara posee dos laminas metálicas muy delgadas (oro o aluminio) conectadas en su parte más baja. A su vez, esta estructura está sellada con una tapa de material aislante, y en el extremo superior tiene una pequeña esfera denominada “colector”. Al acercar un objeto cargado eléctricamente a un electroscopio, pueden presenciarse dos tipos de reacciones por parte de las laminillas metálicas que se encuentran en el extremo inferior de la configuración: si las laminillas se separan entre sí quiere decir que el objeto tiene la misma carga eléctrica que el electroscopio. En cambio, si las laminillas se juntan es indicativo de que el objeto tiene una carga eléctrica opuesta a la carga del electroscopio. La clave está en cargar el electroscopio con una carga eléctrica de signo conocido; así, por descarte será factible deducir el signo de la carga eléctrica del objeto que acerquemos al dispositivo. Los electroscopios son sumamente útiles para determinar si un cuerpo está cargado eléctricamente, además de dar indicios sobre el signo de la carga y la intensidad de la misma.
Historia.
El electroscopio fue inventado por el médico y físico inglés William Gilbert, quien se desempeñó como físico de la monarquía inglesa durante el reinado de la reina Isabel I. Gilbert también es conocido como “el padre del electromagnetismo y la electricidad” gracias a sus grandes aportes a la ciencia durante el siglo XVII. Construyó el primer electroscopio conocido en el año 1600, con la finalidad de profundizar en sus experimentos sobre cargas electrostáticas. El primer electroscopio, denominado versorium, era un dispositivo constituido por una aguja metálica, la cual giraba libremente sobre un pedestal. La configuración del versorium era muy similar a la de la aguja de una brújula, pero en este caso la aguja no estaba magnetizada. Los extremos de la aguja estaban visualmente diferenciados entre sí; además, uno de los extremos de la aguja tenía carga positiva y el otro tenía carga negativa.
El mecanismo de acción del versorium se fundamentaba en las cargas inducidas en los extremos de la aguja, mediante la inducción electrostática. Así, dependiendo del extremo de la aguja que se encontrase más cerca del objeto aledaño, la reacción de ese extremo sería apuntar o repeler el objeto con la aguja. Si el objeto tenía carga positiva, las cargas móviles negativas en el metal se sentirían atraídas hacia el objeto, y el extremo con carga negativa apuntaría hacia el cuerpo que induce la reacción en el versorium. En caso contrario, si el objeto tenía carga negativa, el polo atraído hacia el objeto sería el extremo positivo de la aguja.
Evolución.
A mediados de 1782 el destacado físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) construyó el electroscopio de condensación, el cual tenía una importante sensibilidad para detectar cargas eléctricas que los electroscopios de entonces no detectaban. Sin embargo, el mayor avance del electroscopio vino de la mano del matemático y astrónomo alemán Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831), quien inventó el electroscopio de láminas de oro. La configuración de este electroscopio es muy parecía a la estructura que se conoce hoy en día: el dispositivo estaba conformado por una campana de cristal que tenía una esfera metálica en el extremo superior. A su vez, esta esfera estaba conectada a través de un conductor a dos láminas de oro muy delgadas. Los “panes de oro” se separaban o unían entre sí al acercarse un cuerpo cargado electrostáticamente.
¿Cómo funciona?
Un electroscopio es un dispositivo empleado para detectar la electricidad estática en objetos cercanos, haciendo uso del fenómeno de separación de sus laminillas internas debido a la repulsión electrostática. La electricidad estática puede estar acumulada en la superficie externa de cualquier cuerpo, bien sea por carga natural o por frotamiento. El electroscopio está diseñado para detectar la presencia de este tipo de cargas, debido a la transferencia de electrones de superficies muy cargadas a superficies menos cargadas eléctricamente. Además, dependiendo de la reacción de las laminillas, también pudiese proporcionar una idea de la magnitud de la carga electrostática del objeto aledaño. La esfera localizada en la parte superior del electroscopio funciona como un ente receptor de la carga eléctrica del objeto de estudio. Al acercar un cuerpo cargado eléctricamente al electroscopio, este adquirirá la misma carga eléctrica del cuerpo; es decir, si acercamos un objeto cargado eléctricamente con signo positivo, el electroscopio adquirirá la misma carga.
El electroscopio también se utiliza para medir la radiación del ambiente en caso de que exista material radioactivo alrededor, debido al mismo principio de inducción electrostática. Este dispositivo también puede emplearse para medir la cantidad de iones que están presentes en el aire, al evaluar la velocidad de carga y descarga del electroscopio dentro de un campo eléctrico controlado. Hoy en día los electroscopios son ampliamente utilizados en prácticas de laboratorio en escuelas y universidades, para demostrar a los estudiantes de diversos niveles educativos el uso de este dispositivo como detector de cargas electrostáticas.
Generador van de Graff.
El generador de Van Der Graf es una máquina que almacena carga eléctrica en una esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una banda sobre unas escobillas de un material conductor. Las cargas son transportadas por la escobilla conectada a la esfera donde se comienzan a acumular. Historia. Robert J. Van de Graaff diseñó en 1929 el generador eléctrico que llevaría su nombre en el Instituto de Tecnología de Massachusetts con el fin de realizar experimentos en el campo de la física nuclear. En estos experimentos se perseguía sacar conclusiones sobre los núcleos de los átomos a partir de colisiones, para ello, era necesario acelerar partículas cargadas, que tras alcanzar gran velocidad chocaban contra blancos fijos. En 1931 ya había conseguido que dicho generador alcanzara diferencias de potencial de hasta 1 MV. Hoy día nos encontramos con sistemas pelletron que pueden llegar a alcanzar voltajes de 25MV.
¿Cómo funciona?
El generador consiste en una cinta transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la esfera por inducción en la cinta, ya que la varilla metálica o peine está muy próxima a la cinta, pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir energía; esto hace que las partículas de energía que se encuentran dentro de la esfera al hacer contacto con otro cuerpo similar (que produzca energía) absorbe aquella produciendo estática en el cuero capilar u otro objeto que esté en contacto directo. Constitución del generador de van der Graff
- Una esfera metálica hueca en la parte superior.
- Una columna aislante de apoyo.
- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.
- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.
- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora).
- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.
Máquina de Wimshurst.
La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832-1903). Tiene un aspecto característico con dos grandes discos a contra rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Descripción Estas máquinas pertenecen a una clase de generadores que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), August Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto. En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa. La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determina la salida de voltaje máxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperes.
Carga eléctrica
La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones
El átomo está constituido por protones con carga positiva (+), electrones con carga negativa (–) y neutrones, unidos por la fuerza atómica. La fuerza que ejercen las respectivas cargas de protones y electrones se representan gráficamente con líneas de fuerza electrostática.
