Carga por inducción

Una chispa o crujido emerge cuando nuestras prendas sintéticas o suéteres se quitan de nuestros cuerpos, especialmente en clima seco. Esto es prácticamente inevitable con la ropa femenina, como los saris de poliéster. Los relámpagos, en el cielo durante las tormentas eléctricas, son otro caso de descarga eléctrica. Es una descarga eléctrica que siempre sentimos al abrir la puerta de un automóvil o agarrar la barra de hierro de un autobús después de deslizarnos de nuestros asientos. La causa de estas sensaciones es la descarga de cargas eléctricas que se han acumulado como consecuencia del roce de superficies aislantes. Esto se debe a la generación de electricidad estática. Cualquier cosa que no tenga movimiento o cambio con el tiempo se denomina estática. El estudio de las fuerzas, campos y potenciales provenientes de cargas estáticas se conoce como Electrostática. 

La neutralidad eléctrica se refiere a la presencia de una cantidad igual de cargas positivas y negativas en la mayoría de los cuerpos. Para cargar un cuerpo neutro, se debe cambiar el equilibrio de cargas positivas y negativas. Los métodos para alterar el balance de carga de un cuerpo neutro son:

• Fricción
• Conducción
• Inducción

Carga por fricción

El método de carga por fricción incluye frotar una partícula contra otra, lo que hace que los electrones se muevan de una superficie a la siguiente. Este procedimiento se puede utilizar para cargar aisladores.

Diferentes tipos de átomos y combinaciones de átomos forman objetos materiales. Varios artículos tienen diferentes características eléctricas debido a la existencia de diferentes átomos en ellos. La afinidad electrónica es una de estas propiedades. En pocas palabras, la afinidad electrónica es una característica que describe cuánto se preocupa una sustancia por los electrones. Si los átomos de una sustancia tienen una alta afinidad electrónica, el material también tendrá un fuerte afecto por los electrones. Como uno de los tipos más frecuentes de carga, la carga turboeléctrica, comúnmente conocida como carga por fricción o frotamiento, esta propiedad de afinidad electrónica será crucial.  

Considera frotar un globo de goma con un trozo de piel de animal. Los átomos del caucho se presionan en proximidad con los átomos de la piel del animal durante el proceso de frotamiento. Las nubes de electrones de los dos tipos de átomos se comprimen, acercando los núcleos de los otros átomos. Los protones en los átomos de un material comienzan a interactuar con los electrones en los átomos del otro material. Es posible que casi escuches a los átomos comentar: «Me gustan tus electrones», en medio del aire crepitante. Por supuesto, los átomos de un material, en este caso, los átomos de caucho, se toman más en serio su reclamo de electrones. Como resultado, los átomos de caucho comienzan a robar electrones de los átomos de piel de animales. Las dos cosas se cargaron después de que cesó el roce.

Otro ejemplo es cuando se acercan dos varillas de vidrio que han sido frotadas con un trozo de tela de lana o seda, se repelen. Las dos hebras de lana o dos piezas de tela de seda utilizadas para frotar las varillas también se repelen entre sí. La varilla de vidrio y un trozo de tela de lana, por otro lado, se atrajeron entre sí.

Carga por conducción

La carga por conducción se produce cuando una partícula cargada entra en contacto con un medio conductor neutro. Las cargas se transmiten desde la sustancia cargada al conductor neutro. Este enfoque se puede utilizar para cargar conductores.

La carga por conducción ocurre cuando un objeto cargado hace contacto con un objeto neutral. Suponga que una placa de aluminio cargada positivamente se pone en contacto con una esférica de metal neutro. Cuando la esfera de metal neutral entra en contacto con la placa de aluminio cargada, se carga. 

• Considere el caso de una esfera de metal cargada negativamente que se presiona contra la placa superior de un electroscopio de aguja neutra. Cuando la esfera de metal hace contacto con el electroscopio neutro, lo carga.
• Finalmente, imagine que un estudiante de física sin carga está parado en una plataforma aislante cuando un estudiante entra en contacto con un generador de Van de Graaff con carga negativa que hace que el estudiante de física neutral se cargue.
• Cada uno de estos casos incluye un objeto cargado que hace contacto con un objeto neutral. A diferencia de la carga por inducción, que implica acercar el objeto cargado pero nunca tocar el objeto que se está cargando, la carga por conducción implica conectar físicamente el objeto cargado al objeto neutral.
• La carga por conducción a veces se conoce como carga por contacto, ya que implica contacto.

Carga por inducción

La carga por inducción es un método de carga en el que se carga un objeto neutro sin tocar realmente otro objeto cargado. La partícula cargada se mantiene cerca de un material conductor neutro o sin carga que está conectado a tierra en un material con carga neutra. Cuando una carga fluye entre dos objetos, el material conductor sin carga desarrolla una carga con la polaridad opuesta a la del objeto cargado.

(1) Carga por inducción utilizando una varilla cargada positivamente:

• Coloque dos esferas de metal, A y B, sobre plataformas aislantes y júntelas.
• Acerca una varilla cargada positivamente a una de las esferas, digamos A, pero no dejes que la toque. La barra atrae los electrones libres en las esferas. La superficie trasera de la esfera B ahora tiene un exceso de carga positiva. Ambos tipos de cargas están encerrados en esferas de metal y no pueden escapar. Como resultado, viven en las superficies. La superficie izquierda de la esfera A tiene un exceso de carga negativa, mientras que la superficie derecha de la esfera B tiene un exceso de carga positiva. En la superficie izquierda de A, no se han acumulado todas las partículas de electrones en las esferas. Otras partículas de electrones son repelidas por la carga negativa que se acumula sobre la superficie izquierda de A. Bajo la operación de la fuerza de atracción de la barra y la fuerza de repulsión causada por las cargas acumuladas, se logra el equilibrio en un corto período. La situación de equilibrio se representa en la figura 1.4(b).
• Inducción de carga es el nombre del proceso, que ocurre casi rápidamente. Las cargas acumuladas permanecen visibles en la superficie hasta que la barra de vidrio se mantiene cerca de la esfera, como se muestra. Cuando se retira la barra, las cargas ya no se ven afectadas por fuerzas externas y vuelven a su condición neutra original.
• Como se indica en la figura, separe las esferas una distancia modesta mientras sostiene la varilla de vidrio cerca de la esfera A. (c). Se encuentra que las dos esferas están cargadas en direcciones opuestas y se atraen entre sí.
• Saca la varilla. Como se demuestra en la figura, las cargas en las esferas se reorganizan (d). Separa las esferas completamente ahora. Como se ilustra en la figura, las cargas sobre ellos se distribuyen uniformemente sobre ellos (e).

Las esferas de metal serán iguales y de carga opuesta en esta operación. Esto se conoce como carga por inducción. A diferencia de la carga por contacto, la barra de vidrio cargada positivamente no pierde ninguna de sus cargas.

(2) Carga por inducción utilizando una varilla cargada negativamente:

• Considere dos esferas de metal A y B, que se tocan en la ilustración. Tome una barra cargada que tenga carga negativa. Cuando una barra cargada se mantiene cerca de las esferas, la repulsión entre los electrones de la barra cargada y las esferas hace que los electrones del sistema de dos esferas se alejen.
• Como resultado, los electrones de la esfera A son transportados a la esfera B. La esfera A se carga positivamente y la esfera B se carga negativamente debido a la migración de electrones.
• Como resultado, todo el sistema de dos esferas es eléctricamente neutro. Como se ilustra, luego se separan las esferas (evitando el contacto directo con el metal). Cuando se quita la barra cargada, la carga se redistribuye a lo largo de las esferas, como se indica en el diagrama.

Diferencias entre Inducción Electrostática y Electromagnética.

S. no.	Inducción electromagnética	Inducción electrostática
1.	Sin ninguna conexión eléctrica, la formación de fem en un conductor debido a la tasa de cambio de corriente en un conductor vecino.	Sin ningún contacto físico, la acumulación o redistribución de cargas eléctricas en un cuerpo provocada por un cuerpo vecino cargado.
2.	Es eficaz a grandes distancias.	Es eficaz en distancias cortas.
3.	Es debido a la tasa de cambio en el flujo de carga.	Es por las cargas estáticas.
4.	En los conductores, el efecto es más fuerte.	En aisladores, el efecto es más fuerte.
5.	La causa de esto se debe a los campos eléctricos de las cargas.	La causa son los campos magnéticos causados ​​por cargas en movimiento.

 Ley de Conservación de la Carga

Una carga es una característica de la materia que hace que cree y experimente efectos eléctricos y magnéticos. La idea subyacente detrás de la conservación de la carga es que se conserva la carga general del sistema. Se puede definir de la siguiente manera:

De acuerdo con la regla de conservación de la carga, la carga total de un sistema aislado siempre permanecerá constante. En dos intervalos de tiempo cualquiera, cualquier sistema que no intercambie masa o energía con su entorno tendrá la misma carga total. 

Cuando dos objetos en un sistema aislado tienen cada uno una carga neta de cero y uno del cuerpo transfiere un millón de electrones con el otro, el objeto con el exceso de electrones estará cargado negativamente, mientras que el objeto con menos electrones tendrá una carga positiva. de la misma magnitud. La carga total del sistema nunca ha cambiado y nunca cambiará.

Propiedades básicas de las cargas eléctricas

• Aditividad de cargas: si un sistema tiene dos cargas puntuales, q ₁ y q ₂ , la carga total del sistema puede determinarse sumando q ₁ y q ₂ algebraicamente, es decir, las cargas se suman como números reales o son escalares como la de un cuerpo. masa. Si un sistema tiene n cargas (q ₁ , q ₂ , q ₃ ,…, q _n ), la carga total del sistema es q ₁ + q ₂ + q ₃ +… + q _n. La carga, como la masa, tiene magnitud pero no dirección. Hay, sin embargo, una distinción entre masa y carga. La masa de un cuerpo siempre es positiva, mientras que una carga puede ser positiva o negativa. Al agregar cargos a un sistema, se deben utilizar ciertas indicaciones.
• Conservación de la carga: De acuerdo con la regla de conservación de la carga, la carga total de un sistema aislado siempre permanecerá constante. En dos intervalos de tiempo cualquiera, cualquier sistema que no intercambie masa o energía con su entorno tendrá la misma carga total. Cuando dos objetos en un sistema aislado tienen cada uno una carga neta de cero y uno del cuerpo transfiere un millón de electrones con el otro, el objeto con los electrones excedentes estará cargado negativamente, mientras que el objeto con menos electrones tendrá una carga positiva. de la misma magnitud. La carga total del sistema nunca ha cambiado y nunca cambiará.
• Cuantificación de la carga eléctrica: todas las cargas disponibles son múltiplos enteros de una unidad básica de carga designada por e. En consecuencia, la carga q de un cuerpo siempre viene dada por:

           q = ne

Donde n es cualquier número entero positivo o negativo. La carga que lleva un electrón o un protón es la unidad básica de carga. Se supone que la carga de un electrón es negativa, la carga de un electrón se escribe como –e, mientras que la carga de un protón se escribe como +e.

Problemas de muestra

Problema 1: ¿Cuánta carga positiva y negativa hay en una taza de agua?

Solución:

Supongamos que la masa de una taza de agua es de 250 g. La masa molecular del agua es de 18 g. Así, un mol (= 6,02 × 10 ²³ moléculas) de agua son 18 g. Por lo tanto, el número de moléculas en una taza de agua es (250/18) × 6,02 × 10 ²³ . Cada molécula de agua contiene dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, es decir, 10 electrones y 10 protones. Por lo tanto, la carga total positiva y total negativa tiene la misma magnitud. es igual a

(250/18) × 6,02 × 10 ²³ × 10 × 1,6 × 10 ^–19 C = 1,34 × 10 ⁷ C .

Problema 2: Compara la naturaleza de las fuerzas electrostática y gravitacional.

Solución:

Entre dos enormes masas, actúa una fuerza gravitatoria. Sin embargo, una fuerza electrostática se activa cuando dos cuerpos cargados entran en contacto.

similitudes:

• Estas dos fuerzas son fuerzas centrales.
• Sigue la ley de los cuadrados inversos.
• Ambos son fuerzas de largo alcance.
• Ambas fuerzas son naturalmente conservativas.

Disimilitudes:

• En la naturaleza, la fuerza electrostática puede ser tanto atractiva como repelente. En la naturaleza, la fuerza gravitacional solo puede ser atractiva.
• El medio material entre dos cargas afecta la fuerza eléctrica entre ellas. El medio material entre cuerpos enormes tiene poco efecto sobre la fuerza gravitacional.
• Las fuerzas eléctricas son extremadamente poderosas (aproximadamente 10 38 veces más fuertes) que las fuerzas gravitatorias.

Problema 3: ¿Por qué la fuerza de Coulombs actúa entre dos cargas sólo en la línea que une sus centros?

Solución:

Debido a las características fundamentales de la carga eléctrica, este es el caso. Las cargas que son similares se repelen entre sí. Las cargas diametralmente opuestas se atraen.

La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas se dirigirá en la dirección en que la fuerza realice la menor cantidad de trabajo. Como resultado de este requisito, la acción se dirige a lo largo de la línea recta que une las dos cargas, que es la distancia más corta entre ellas.

Problema 4: Si 10 ⁹ electrones salen de un cuerpo a otro cuerpo cada segundo, ¿cuánto tiempo se requiere para obtener una carga total de 1 C en el otro cuerpo?

Solución:

En un segundo, 10 ⁹ electrones salen del cuerpo. Por lo tanto, la carga entregada en un segundo es 

1,6 × 10 ^–19 × 10 ⁹ C = 1,6 × 10 ^–10 C. 

Entonces se puede estimar que el tiempo requerido para acumular una carga de 1 C es 

1 C / (1,6 × 10 ^–10 C/s) = 6,25 × 10 ⁹ s 

                                   = 6,25 × 10 ⁹ / (365 × 24 × 3600) años 

                                  = 198 años. 

Así, para recoger una carga de un culombio, de un cuerpo del que salen 109 electrones cada segundo, necesitaremos aproximadamente 200 años. Un coulomb es, por lo tanto, una unidad muy grande para muchos propósitos prácticos. Sin embargo, también es importante saber cuál es aproximadamente el número de electrones contenidos en una pieza de un centímetro cúbico de material. Una pieza cúbica de cobre de 1 cm de lado contiene alrededor de 2,5 × 10 ²⁴ electrones. 

Problema 5: Escribe las diferencias entre inducción electrostática y electromagnética.

Solución:

Las siguientes son las diferencias entre la inducción electrostática y electromagnética:

S. no.	Inducción electromagnética	Inducción electrostática
1.	Sin ninguna conexión eléctrica, la formación de fem en un conductor debido a la tasa de cambio de corriente en un conductor vecino.	Sin ningún contacto físico, la acumulación o redistribución de cargas eléctricas en un cuerpo provocada por un cuerpo vecino cargado.
2.	Es eficaz a grandes distancias.	Es eficaz en distancias cortas.
3.	Es debido a la tasa de cambio en el flujo de carga.	Es por las cargas estáticas.
4.	En los conductores, el efecto es más fuerte.	En aisladores, el efecto es más fuerte.
5.	La causa de esto se debe a los campos eléctricos de las cargas.	La causa son los campos magnéticos causados ​​por cargas en movimiento.