Electroscopio

A Tales de Mileto, Grecia, se le atribuye el descubrimiento del hecho de que el ámbar frotado con tela de lana o seda atrae cosas ligeras aproximadamente en el año 600 a. La palabra electricidad proviene de la palabra griega electrón, que significa ámbar. Se sabía que muchos pares de materiales similares atraían cosas ligeras como la paja, las bolas de médula y los fragmentos de papel cuando se frotaban entre sí creaban una fuerza de atracción entre ellos. Los humanos obtienen un efecto similar en casa al realizar las siguientes actividades. Se deben cortar tiras largas y delgadas de papel blanco y plancharlas ligeramente. Acérquelos a un televisor o monitor de computadora. Se observa que las tiras son atraídas por la pantalla. De hecho, se queda pegado a la televisión bastante tiempo.

Carga eléctrica

La carga eléctrica es la característica física fundamental de una materia que la hace experimentar una fuerza cuando se la coloca en un campo eléctrico o magnético.

Cuando dos varillas de vidrio se frotan con un trozo de tela de lana o seda y se juntan, se observa una fuerza repulsiva entre ellas. Las dos hebras de lana o las dos piezas de tela de seda utilizadas para frotar las varillas también se repelen entre sí. La varilla de vidrio y la lana, por otro lado, se atrajeron entre sí. Dos varillas de plástico cepilladas con piel de gato se repelían pero atraían la piel. La varilla de plástico, por otro lado, atrae la varilla de vidrio y repele la seda o la lana que se usa para frotar la varilla de vidrio. La piel es repelida por la varilla de vidrio.

Después de muchos exámenes rigurosos por parte de varios expertos, se determinó que solo había dos tipos de una entidad conocida como carga eléctrica . El proceso de electrificación tiene lugar en los cuerpos de varillas de vidrio o plástico, seda, piel y bolas de médula. El frotamiento induce una carga eléctrica. De acuerdo con la investigación sobre bolas de médula, hay dos tipos de electrificación que son cargas similares que se repelen entre sí y cargas diferentes que se atraen entre sí. Las investigaciones también mostraron que cuando las varillas y las bolas de médula se tocan, las cargas se transfieren de las varillas a las bolas de médula. Se supone que las bolas de médula están electrificadas o cargadas por contacto. La polaridad de la carga es la característica que distingue los dos tipos de cargas. 

Cuando se frota una barra de vidrio con seda, la barra recibe un tipo de carga mientras que la seda recibe el otro. Esto es cierto para cualquier par de artículos electrificados que se frotan entre sí. Cuando la varilla de vidrio electrificada entra en contacto con la seda con la que fue frotada, ya no la atrae. No atraen ni repelen otras cosas ligeras como solían hacerlo cuando estaban electrificados. Como resultado, cuando los cuerpos cargados entran en contacto, las cargas adquiridas durante el frotamiento desaparecen.

Se neutraliza o anula el efecto de las cargas contrarias acumuladas por los artículos. Como resultado, el científico estadounidense Benjamin Franklin etiquetó las cargas como positivas y negativas .

Electroscopio

Un electroscopio es un aparato científico que ayuda en la detección de una carga eléctrica en un cuerpo. El primer electroscopio, conocido como Vesorium , fue un electroscopio de aguja pivotante inventado en 1600 por el físico británico William Gilbert .

El movimiento de la carga de prueba es provocado por la fuerza electrostática de Coulomb, que se mide con un electroscopio . Los electroscopios se utilizan con frecuencia como voltímetros básicos ya que la carga electrostática de un objeto es proporcional a su capacitancia. Una concentración de carga suficientemente grande para ser observada por un electroscopio requiere una gran cantidad de voltios. 

Como resultado, los electroscopios se usan con frecuencia con fuentes de alto voltaje como electricidad estática y dispositivos electrostáticos. Un electrómetro es un instrumento utilizado para medir la carga electrostática cuantitativa.

Funcionamiento de un electroscopio

El principio de funcionamiento de un electroscopio se basa en la estructura atómica de los átomos, la inducción de carga , la estructura interna de los elementos metálicos y la premisa de que las cargas similares se repelen entre sí mientras que las cargas diferentes se atraen.

Un electroscopio está formado por dos finas hojas de oro unidas al extremo inferior de una varilla vertical de metal contenida en una caja. Cuando un dispositivo cargado entra en contacto con la perilla de metal en la parte superior de la varilla, la carga se transfiere a las hojas, lo que hace que se separen. La cantidad de carga se indica por el grado de divergencia.

1. Los electrones en el metal del electroscopio tienen una fuerza de atracción entre la carga y viajan hacia arriba fuera de las hojas cuando la carga es positiva. Las hojas adquieren una breve carga positiva como resultado de esto, y debido a que cargas similares se repelen entre sí, las hojas se separan. Los electrones regresan a sus ubicaciones normales cuando se libera la carga y las hojas se relajan.
2. Cuando la carga es negativa, los electrones en el metal del electroscopio se rechazan y migran hacia las hojas inferiores. Las hojas adquieren una carga negativa momentánea como resultado de esto, y debido a que cargas similares se repelen entre sí, las hojas se separan una vez más. Luego, los electrones regresan a su ubicación normal cuando se retira la carga y las hojas se relajan.

Tan pronto como se retira el cuerpo cargado, los electrones vuelven a su estado original en ambas circunstancias. Además, el electroscopio no puede determinar si una carga es positiva o negativa; sólo puede detectar su presencia en un cuerpo.

Tipos de un electroscopio

Las siguientes son las dos variedades más comunes de electroscopios, que son:

• Electroscopio de bola de médula: John Canton, un físico y maestro de escuela británico, lo ideó en 1754. Está compuesto por una o dos pequeñas bolas no conductoras que están suspendidas del gancho de un soporte cerrado con hilo de seda o lino. Sostén el objeto más cerca de la bola de médula sin cargar para determinar la presencia de una carga en él. Si la carga del material de prueba es positiva, los electrones o las cargas negativas en las moléculas serán atraídos hacia él. Se desplazan hacia el lado de las moléculas del material que están más cerca de él. La molécula con carga positiva, es decir, el núcleo, por otro lado, repele y se desvía de la sustancia. Con el uso de un electroscopio de bola de médula, este enfoque se puede utilizar para investigar la existencia de carga electrostática en un material.

• Electroscopio de hoja de oro: fue desarrollado en 1787 por el científico británico Abraham Bennet como un equipo más sensible que el electroscopio de bola de médula. El electroscopio de pan de oro se utiliza para detectar y clasificar la carga eléctrica existente en el cuerpo. Se basa en la teoría de la inducción y repulsión electrostática. Está hecho de una sola varilla de latón con dos finas hojas de oro en un extremo y un disco de metal en el otro. Las dos hojas delgadas, así como un material conductor de electricidad, se cuelgan paralelas entre sí y muy cerca una de la otra. La varilla se inserta en el frasco de vidrio cilíndrico, lo que permite que las hojas de oro permanezcan adentro mientras el disco permanece afuera. Una pequeña cantidad de CaCl ₂se inserta dentro del electroscopio de pan de oro para mantener seco el aire dentro del frasco, y la parte inferior está hecha de papel de aluminio. Las hojas no tienen firmeza y cuelgan tímidamente ya que son débiles y sensibles. Cuando se cargan, se dividen y forman un ángulo, cuyo voltaje de carga está determinado por la cantidad de impacto en las hojas. El potencial, no la carga, se muestra en este electroscopio. El voltaje también se puede medir observando el ángulo de separación.

Usos del electroscopio

El electroscopio se puede utilizar para los siguientes propósitos,

• Su propósito es detectar cargas estáticas.
• Se puede usar un electroscopio para determinar la naturaleza de las cargas eléctricas.
• Se puede usar un electroscopio para comparar las magnitudes de dos cargas distintas.

Conductores y Aislantes

Algunos materiales permiten que la electricidad pase fácilmente a través de ellos, mientras que otros no. Los conductores son materiales que permiten que la electricidad fluya libremente a través de ellos. Tienen cargas eléctricas relativamente libres (electrones) dentro del material. Los conductores incluyen metales, cuerpos humanos y animales, y la tierra misma. La mayoría de los no metales, como el vidrio, la porcelana, el plástico, el nailon y la madera, tienen una alta resistencia a la electricidad que pasa a través de ellos, lo que se denomina aislantes.

Las diferencias entre conductor y aisladores son:

Conductor	Aislante
Materiales que permiten el paso de electricidad o calor a través de él.	Materiales que no permiten el paso del calor y la electricidad a través de él.
Algunos ejemplos de un conductor son plata, aluminio y hierro.	Algunos ejemplos de aislantes son el plástico, el papel seco, la madera seca y el caucho.
Partículas de electrones libremente dentro del conductor.	Las partículas de electrones no se mueven libremente dentro del aislador.

Carga por inducción

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

Ejemplos de problemas

Problema 1: Se toman dos esferas metálicas idénticas de masas exactamente iguales. A uno se le da carga positiva q culombios y al otro una carga negativa igual. ¿Son iguales sus masas después de la carga? Explique.

Solución:

No, la carga positiva del cuerpo se debe a la ausencia de electrones, mientras que la carga negativa se debe a la abundancia de electrones. Como resultado, la esfera cargada negativamente tendrá una masa algo mayor que las esferas cargadas positivamente.

Problema 2: Una carga positiva de 6×10 ^-6 C está a 0,040 m de la segunda carga positiva de 4×10 ^-6 C. Calcula la fuerza entre las cargas.

Solución:

Dado,

Una carga positiva q ₁ es 6×10 ^-6 C.

La segunda carga positiva q ₂ es 4×10 ^-6 C.

La distancia entre las cargas r es de 0,040 m.

Sustituya los valores en la expresión anterior,

Problema 3: ¿Qué es un electroscopio?

Solución:

Un electroscopio es un aparato científico que ayuda en la detección de una carga eléctrica en un cuerpo. El electroscopio más antiguo, conocido como Vesorium, fue un electroscopio de aguja pivotante inventado en 1600 por el físico británico William Gilbert.

El movimiento de la carga de prueba se desenstring por la fuerza electrostática de Coulomb, que se mide con un electroscopio. Los electroscopios se utilizan con frecuencia como voltímetros básicos ya que la carga electrostática de un objeto es proporcional a su capacitancia. Una concentración de carga suficientemente grande para ser observada por un electroscopio necesita numerosos voltios. Como resultado, los electroscopios se usan con frecuencia con fuentes de alto voltaje como electricidad estática y dispositivos electrostáticos. Un electrómetro es un instrumento utilizado para medir la carga electrostática cuantitativa.

Problema 4: ¿Explicar el funcionamiento de un electroscopio?

Solución:

El principio de funcionamiento de un electroscopio se basa en la estructura atómica de los átomos, la inducción de carga, la estructura interna de los elementos metálicos y la premisa de que las cargas similares se repelen entre sí mientras que las cargas diferentes se atraen. Un electroscopio está formado por dos finas hojas de oro unidas al extremo inferior de una varilla vertical de metal contenida en una caja. Cuando un dispositivo cargado entra en contacto con la perilla de metal en la parte superior de la varilla, la carga se transfiere a las hojas, lo que hace que se separen. La cantidad de carga se indica por el grado de divergencia.

• Los electrones en el metal del electroscopio tienen una fuerza de atracción entre la carga y viajan hacia arriba fuera de las hojas cuando la carga es positiva. Las hojas adquieren una breve carga positiva como resultado de esto, y debido a que cargas similares se repelen entre sí, las hojas se separan. Los electrones regresan a sus ubicaciones normales cuando se libera la carga y las hojas se relajan.
• Cuando la carga es negativa, los electrones en el metal del electroscopio se rechazan y migran hacia las hojas inferiores. Las hojas adquieren una carga negativa momentánea como resultado de esto, y debido a que cargas similares se repelen entre sí, las hojas se separan una vez más. Luego, los electrones regresan a su ubicación normal cuando se retira la carga y las hojas se relajan.

Tan pronto como se retira el cuerpo cargado, los electrones vuelven a su estado original en ambas circunstancias. Además, el electroscopio no puede determinar si una carga es positiva o negativa; sólo puede detectar su presencia en un cuerpo.

Problema 5: Una carga lineal uniforme con densidad lineal λ se encuentra a lo largo del eje y. ¿Qué flujo atraviesa una superficie esférica centrada en el origen con r = R.

Solución:

Dado,

La densidad de carga de línea es λ.

El radio de la superficie es R.

La longitud del alambre dentro de la esfera es 2R.

Ahora, λdl=dθ

Para la carga total encerrada por el radio R es 

Ahora, ϕ = Q _inc /ε _o

o

ϕ = 2λR/ε _o