COMO SE REALIZA LA MEDICION DE LOS CAMPOS ELECTRICOS CERCA DE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA CUANDO HAY BUEN CLIMA Y CUANDO LAS CONDICIONES DE NUBOSIDAD S

La existencia del campo magnético de la Tierra es conocida desde hace mucho tiempo atrás por sus aplicaciones a la navegación mediante el uso de la brújula. El campo magnético terrestre es de carácter vectorial y sabemos que su proyección horizontal señala, aunque no exactamente, al norte geográfico.

Antes que nada es necesario mencionar que la tierra junto con la ionosfera funge como un capacitor esférico debido a que La tierra es negativa y el potencial en el aire es positivo, las dos superficies conductoras seria la atmósfera y la tierra, el aire seria el aislante.

En buen tiempo la tierra tiene un campo eléctrico vertical esencialmente est tico de aproximadamente 130 v/m cerca de la superficie, lo causa la separación de cargas entre la tierra y la ionosfera. La tierra es negativa y el potencial en el aire es positivo.

Ambos forman un capacitador esférico con sus dos superficies conductoras, la tierra y la atmósfera superior y el aire en medio, actúa como un aislante. La diferencia en el potencial eléctrico se mantiene por los rayos, los cuales transportan cargas negativas a la tierra. Hay un ciclo diurno para la magnitud del campo. En promedio, cerca de 2,000 tormentas ocurren sobre la tierra en cualquier momento y suceden mas o menos 100 descargas eléctricas (rayos) cada segundo alrededor del mundo. Pueden ocurrir campos de 10 kV/m o m s durante las tormentas.
El campo geomagnético es también esencialmente estático, con una densidad de flujo magnético que promedia aproximadamente 50m T (0.5G)en latitudes medias pero varía entre el ecuador y los polos. Medido verticalmente es muy grande en los polos magnéticos (cerca de 67m T (0.67G)) y tiene un valor de 0 en el ecuador magnético. En la dirección horizontal, alcanza un máximo de 33m T (0.33G) en el ecuador y 0 en los polos magnéticos





En un día nublado las nubes en el interior del campo están cargadas negativamente y por fuera positivamente, entonces la naturaleza para estar en equilibrio hace que las cargas positivas empiecen a caer a la superficie de la tierra, siendo esta una diferencia de potencial entre la tierra y la nube. El punto más alto del suelo hacia la nube es el que tiene mayor carga negativa y es por eso que llega más rápido el rayo.


El campo eléctrico en condiciones nubladas o de tormenta alcanza valores superiores a 100 kV/m

EXPERIMENTO DE LA CUBETA DE HIELO DE FARADAY

El proceso de transferencia de carga de un conductor a otro mediante contacto "interno" fue estudiado por Faraday, utilizando como conductor hueco el recipiente metálico donde guardaba el hielo que empleaba en el laboratorio.

La imagen simula la cubeta de Faraday, un recipiente hueco que tiene una apertura en la parte superior.

Un electroscopio conectado a la superficie exterior de la cubeta nos señala la presencia
de carga mediante la desviación de su lámina metálica.

a) Si introducimos la bola por el orificio situado en la parte superior del conductor hueco inicialmente descargado. En el momento en que introducimos la carga, se muestra las cargas inducidas en la superficie interior de la cubeta de signo contrario (negativas o de color azul) y a su vez aparecen en la pared exterior de la cubeta un número igual de cargas positivas (en color rojo). El electroscopio detecta la presencia de carga desviándose ligeramente su lámina metálica indicadora.
b) Si trasladamos la bola hasta que toque con la pared interior de la cubeta, ésta transfiere transfiere su carga a la cubeta, se cancelan las cargas de la bola con igual número de cargas de signo opuesto en la superficie interior de la cubeta. El indicador del electroscopio no se mueve, ya que la superficie externa permanece con la misma carga.
a) La bola se traslada y se pone en contacto de nuevo con el generador electrostático dispuesta para ser introducida a través del orificio del conductor hueco.
Vamos observando como se va cargando la cubeta, y cómo se desvía un ángulo cada vez mayor la lámina metálica del electroscopio que nos indica la cantidad de carga acumulada.

EXPERIMENTO DE LA GOTA DE ACEITE DE ROBERT MILLIKAN

La determinación de la carga eléctrica del electrón fue determinada por Millikan en 1906. esta determinación se realizó mediante un experimento que se detalla a continuación.

El experimento consiste en introducir en un gas, gotitas de aceite de un radio del orden de un micrómetro. Estas gotitas caen muy lentamente, con movimiento uniforme, con su peso compensado por la viscosidad del medio. Este tipo de movimiento viene regido por la ley de Stokes (De la mecánica de los fluidos, con la cual podemos determinar la fuerza de resistencia del aire. La cual está dada por:
v = velocidad
r = radio de la gota
h= las capas de cualquier fluido que se deslizan unas respecto a otras con distinta velocidad.
La ecuación de proporcionalidad pasa a la igualdad con el coeficiente de viscosidad" h".

Un parámetro importante es la densidad del aceite, donde debemos de considerar que el volumen considerado, esta determinado por.

Recordemos, además que la masa puede expresarse en función de la densidad:

Sustituyendo la relación de la densidad de la gota de aceite tendremos:




Las gotas se cargan electrostáticamente al salir del atomizador por lo que su movimiento de caída se altera fuertemente si se hace actuar un campo eléctrico vertical. Ajustando convenientemente el campo, puede lograrse que la gota permanezca en suspensión.
Conociendo el valor m de la masa de la gota, la intensidad E del campo eléctrico y el valor g de la gravedad, puede calcularse la carga q de la gota en equilibrio:
Millikan comprobó que las variaciones de esta carga eran siempre múltiplos de una carga elemental, indudablemente la del electrón. Por consiguiente pudo medir la carga eléctrica que posee un electrón. Este valor es:
e = 1,602 × 10-19 culombios.
Millikan recibió el premio Nobel de Física en 1923 en parte por este experimento.

¿COMO FUNCINA UNA COPIADORA?

Antes de poder explicar el funcionamiento de una copiadora, es necesario entender dos principios básicos:
A. Un cilindro recubierto de un fotoconductor puede ser cargado electrostáticamente (convirtiéndose en una especie de imán) mientras permanezca en la obscuridad. Esta carga es destruida al recibir luz.
B. El segundo principio es más sencillo y lo observamos todos los días: los colores claros reflejan la luz y los obscuros no. Un documento a copiar tiene partes claras (los fondos) y partes obscuras (el texto o las imágenes).

Funcionamiento de la copiadora análoga:
1. El cilindro de la copiadora es cargado electrostáticamente.
2. Una lámpara ilumina el documento a copiar (original).
3. Luz reflejada por el fondo claro del original, descarga las partes correspondientes en el cilindro eliminando ahí dicha carga.
4. En cambio, las partes del cilindro que corresponden a las imágenes del original permanecen cargadas y atraen el toner, que tiene una carga contraria.
5.El toner es transferido al papel por magnetismo y fundido por calor en el papel para hacer la imagen permanente. (Es por el calor de esta etapa que las copias salen calientes.)

Funcionamiento de la copiadora digital:
Es parecido al de la copiadora análoga:
1. Las imágenes son captadas por un scanner.
2. Este las convierte en imágenes digitales que activan un rayo laser.
3. El rayo descarga partes del cilindro.
4. Las partes del cilindro que conservan su carga, atraen el toner formando la imagen o texto deseado.
5. Las imágenes se transfieren del cilindro al papel.

PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE ELECTCRICIDAD Y MEGNETISMO

ELECTRICIDAD

Es una de las formas de energía más empleada por el hombre, hasta tal punto que hoy en día es difícil pensar en nuestra sociedad sin la electricidad. Con ella iluminamos nuestras viviendas, hacemos funcionar nuestros electrodomésticos, medios de transporte, sistemas de comunicación, máquinas, procesos industriales, etc.
Es un fenómeno originado por el movimiento que experimentan los electrones, partículas de masa muy pequeña que se encuentran entorno al núcleo del átomo.
Decimos que los electrones tienen carga eléctrica negativa (-), mientras que los protones, situados en el núcleo del átomo, tienen carga positiva (+). Los cuerpos pueden estar cargados positiva o negativamente como consecuencia del exceso de protones o electrones.
En determinados materiales, que denominamos conductores, es posible hacer fluir los electrones de un extremo al otro de los mismos, estableciéndose entonces una corriente eléctrica.

Cargas eléctricas

Es una propiedad intrínseca de algunas partículas sub-atómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética.
La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 o ±2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.
En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,25 × 1018 electrones aproximadamente.


Cargas positivas y negativas

Si se toma una varilla de vidrio y se frota con seda colgándola de un hilo largo (también de seda), se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con seda) se produce una repulsión mutua. Sin embargo, si se aproxima una varilla de ebonita, previamente frotada con una piel, se observa que atrae la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí.
Los efectos eléctricos no se limitan a vidrio frotado con seda o a ebonita frotada con piel. Cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléctrica se verá que, si repele al vidrio, atraerá a la ebonita y viceversa.
No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo. Es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de ebonita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a observación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la barra de ebonita, repelerá a la de vidrio.
La conclusión de tales experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita.

REDISTRIBUCIÓN DE CARGAS

Por contacto
Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.
Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Por frotamiento
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz.

Por inducción
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro.En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente.Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.


Ley de Coulomb
La Ley de Coulomb lleva su nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb, uno de sus descubridores y el primero en publicarlo. No obstante, Henry Cavendish obtuvo la expresión correcta de la ley, con mayor precisión que Coulomb, si bien esto no se supo hasta después de su muerte. La balanza de torsión consiste en una barra que cuelga de una fibra. Esta fibra es capaz de torcerse, y si la barra gira la fibra tiende a regresarla a su posición original. Si se conoce la fuerza de torsión que la fibra ejerce sobre la barra, se logra un método sensible para medir fuerzas.
En la barra de la balanza, Coulomb, colocó una pequeña esfera cargada y, a continuación, a diferentes distancias, posicionó otra esfera con carga de igual magnitud. Luego midió la fuerza entre ellas observando el ángulo que giraba la barra.
Enunciado de la ley
El enunciado que describe la ley de Coulomb es la siguiente:
"La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa."