MATERIA:Electromagnetismo

INVESTIGACIÓN:Formas de producir de la electricidad estática

Aparatos para determinar la presencia de cargas electroestáticasAplicación tecnológica de la electroestática

PRESENTA:

CATEDRÁTICO:Ing. Cortes Carrillo Anatolio Othón

VERACRUZ VER ENERO-JUNIO 26/FEB/

FORMAS DE PRODUCIR DE LA ELECTRICIDAD ESTATICA

POR FRICCIÓN

Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otro dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello.

Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.

Esto es algo que aún no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en la superficie de un material existen muchos átomos que no pueden combinarse con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando están dentro del material; por lo tanto, los átomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es la razón por la cual los aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir cargas de electricidad estática. La energía calorífica producida por la fricción del frotamiento se imparte a los átomos superficiales que entonces liberan los electrones, a esto se le conoce como efecto triboeléctrico.

POR REACCIONES QUÍMICAS

Las substancias químicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad química en la cual habrá transferencia de electrones produciéndose cargas eléctricas.

El proceso se basa en el principio de la electroquímica. Un ejemplo es la pila húmeda básica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla ácido sulfúrico con agua (para formar un electrolito) el ácido sulfúrico se separa en componentes químicos de hidrogeno (H) y sulfato (SO4), pero debido a la naturaleza de la acción química, los átomos de hidrógeno son iones positivos (H+) y (SO4-2). El número de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la solución tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solución barras de cobre y zinc, estas reaccionan con ella.

El zinc se combina con los átomos de sulfato; y puesto que esos átomos son negativos, la barra de zinc transmite iones de zinc positivos (Zn+); los electrones procedentes de los iones de zinc quedan en la masa de zinc, de manera que la barra de zinc tiene un exceso de electrones, o sea una carga negativa. Los iones de zinc se combina con los iones de sulfato y los neutralizan, de manera que ahora la solución tiene más cargas positivas. Los iones positivos de hidrogeno atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la solución. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones por lo que presenta una carga positiva.

POR PRESIÓN

Cuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa a través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus orbitas y empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado del material y se acumulan en el lado opuesto. Así cesa la presión, los electrones regresan a sus órbitas. Los materiales se cortan en determinad formas para facilitar el control de las superficies que habrán de cargarse; algunos materiales reaccionaran a una presión de flexión en tanto que otros responderán a una presión de torsión.

Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión.

El efecto es más notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas cerámicas como el titanato de bario.

POR CALOR

Debido a que algunos materiales liberan fácilmente sus electrones y otros materiales los acepta, puede haber transferencia de electrones, cuando se ponen en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente activos, la energía calorífica del ambiente a temperatura normal es suficiente para que estos metales liberen electrones. Los electrones saldrán de los átomos de cobre y pasaran al átomo de cinc. Así pues, el cinc adquiere un exceso de electrones por lo que se carga negativamente. El cobre, después de perder electrones tiene una carga positiva. Sin embargo, las cargas originadas a la temperatura ambiente son pequeñas, debido a que no hay suficiente energía calorífica para liberar más que unos cuantos electrones. Pero si se aplica calor a la unión de los dos metales para suministrar más energía, liberaran más electrones. Este método es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se aplique, mayor será la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los metales se enfrían y las cargas se disparan.

POR LUZ

La luz en sí misma es una forma de energía y muchos científicos la consideran formada por pequeños paquetes de energía llamados fotones. Cuando los fotones de un rayo luminoso inciden sobre un material, liberan energía. En algunos materiales la energía procedente de los fotones puede ocasionar la liberación de algunos electrones de los átomos. Materiales tales como potasio, sodio, cesio, litio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta forma. El efecto fotoeléctrico se puede usar de tres maneras:

1.-Fotoemisión: La energía fotónica de un rayo de la luz puede causar la liberación de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentran en un tubo al vació. Entonces una placa recoge estos electrones.

2.-Fotovoltaica: La energía luminosa que se aplica sobre una de dos placas unidas, produce la transmisión de electrones de una placa a otra. Entonces las placas adquieren cargas opuestas en la misma forma que una batería.

3.-Fotoconducción.- La energía luminosa aplicada a algunos materiales que normalmente son malos conductores, causa la liberación de electrones en los metales, de manera que estos se vuelven mejores conductores.

POR MAGNETISMO

Todos conocemos los imanes, y los han manejado alguna que otra vez. Por lo tanto, podrá haber observado que, en algunos casos, los imanes se atraen y en otro caso se repelen. La razón es que los imanes tienen campos de fuerza que actúan uno sobre el otro recíprocamente.

La fuerza de un campo magnético también se puede usar para desplazar electrones. Este fenómeno recibe el nombre de magneto electricidad; a base de este un generador produce electricidad. Cuando un buen conductor, por ejemplo, el cobre se hace pasar a través de un campo magnético, la fuerza del campo suministrara la energía necesaria para que los átomos de cobre liberen sus electrones de valencia. Todos los electrones se moverán en cierta dirección, dependiendo de la forma en que el conductor cruce el campo magnético, el mismo efecto, se obtendrá si se hace pasar el campo a lo largo del conductor. El único requisito es que haya un movimiento relativo entre cualquier conductor y un campo magnético.

APARATOS PARA DETERMINAR LA PRESENCIA DE CARGAS ELECTROESTÁTICAS

ELECTROESCOPIO

El electroscopio es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo está cargado eléctricamente.

El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.

Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Un electroscopio pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos.

APLICACIÓN TECNOLÓGICA DE LA ELECTROESTÁTICA

Precipitador electrostático: Una importante aplicación de la descarga eléctrica en gases es un dispositiva llamado precipitador electroestático. Este aparato se utiliza para eliminar partículas de materia de los gases de combustión, reduciendo de ese modo la contaminación del aire. En especial es útil en centrales carboeléctricas y en operaciones industriales que generan grandes cantidades de humo. Los sistemas actuales son capaces de eliminar más del 99% de la ceniza y el polvo (en peso) del humo.

Aceleradores electrostáticos: Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, esto permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.

Los aceleradores de partículas imitan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas e inestables. Sin embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar estas partículas generadas, y su proceso de desintegración.

El generador de Van de Graaff: Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

Copiadora Laser: La xerografía es un proceso de impresión que emplea electrostática en seco para la reproducción o copiado de documentos o imágenes. La palabra xerografía deriva del griego xeros, que significa ‘seco’, y grafos, que significa ‘escritura’.

Las máquinas fotocopiadoras e impresoras láser hacen uso de las atracciones electrostáticas para imprimir una imagen del original. Cada una de ellas utiliza una técnica diferente para proyectar la imagen en un tambor cilíndrico especial. En una fotocopiadora, lentes y espejos enfocan una imagen de la hoja original de papel en el tambor, de forma muy parecida a como el lente de una cámara enfoca una imagen o un film. El tambor es típicamente hecho de aluminio, un buen conductor, y su superficie está recubierta con una pequeña capa de selenio. El selenio es un material que tiene la interesante propiedad (llamada fotoconductividad) de ser un material no conductor en la oscuridad, convirtiéndose en un conductor al ser expuesto a la luz.

Fenómeno Del Rayo: Un rayo es simplemente una descarga de electricidad estática acumulada en una nube sobre el suelo que se produce en forma por demás violenta liberando al mismo tiempo calor y luz. Según se supone, la carga estática se acumula en la nube a través del continuo roce de cristales de hielo, pues en las tormentas eléctricas, las nubes contienen cristales de hielo flotando, en suspensión, como se dice apropiadamente. El efecto de la estática producida por rozamiento parece ser equivalente a la que observamos al frotar el peine contra el cabello o un suéter de lana cuando éste es frotado.

Los rayos nacen de la separación de las cargas eléctricas positivas y negativas dentro de las nubes tormentosas. La nube de tormenta tiene en general una estructura tripolar, en la parte alta tiene una región de varios kilómetros de alto de carga positiva luego viene una capa de carga negativa de unos cientos de metros de espesor y por ultimo una pequeña capa de cargas positivas. Cuando la separación de las cargas crea un potencial eléctrico de gran magnitud, nace en el interior de la nube un árbol de dos ramas, una positiva y una negativa, esta última surge como una descarga guía que se lanza hacia al suelo con una corriente negativa, la corteza terrestre al ser considerada positiva salta una chispa de retorno que lleva una corriente positiva mucho más intensa de 10,000 amperes. Ese es el rayo que vemos.