CHISPAS Y RAYOS
CARGA ELÉCTRICA
- Frota un peine o un lápiz de plástico en tu jersey y a continuación sujétalo cerca de algunos minúsculos trozos de papel ¿qué sucede?
Frota un objeto de plástico sobre tu camisa y a continuación sujétala cerca (pero no tocando) de un hilillo de agua procedente de un grifo ¿qué sucede?
Debido al frotamiento con tu camisa, el objeto de plástico se ha cargado con electricidad estática o estacionaria.
¿Has oído un chasquido cuando las ropas de nylon se frotan cuando te desviste. En la oscuridad puedes ver pequeñas chispas de electricidad (como pequeños relámpagos)
Frota una tira (banda) de polietileno (un plástico gris) con una ropa de lana seca y cuélgalo de una pinza para papel como se muestra .
Decimos que la electricidad sobre el polietileno es una carga negativa
Frota otra tira de polietileno (está cargada también negativamente) y acércala a la anterior ¿qué sucede?
Repite el experimento con dos tiras de acetato de celulosa (un plástico claro) ¿qué sucede?
Ahora repite el experimento con una tira de polietileno cargado y una tira de acetato de celulosa cargada ¿qué sucede?
Cómo se comporta de manera diferente, decimos que el acetato de celulosa se carga positivamente.
Encontramos que cargas eléctricas iguales se repelen y cargas eléctricas diferentes se repelen
Los objetos están cargados porque loa átomos de todas las sustancias contienen cargas positivas y negativas. Las cargas positiva (llamadas protones) están en el núcleo central o átomo del núcleo. Las cargas negativas (llamadas electrones) están dispersas en órbitas en la parte exterior del átomo. En un átomo neutro, el número de protones (+) es igual al número de electrones (-)
Creemos que cuando una tira de polietileno ( o barra de ebonita) se frota con lana, algunos de los electrones exteriores son arrancados de la lana y se mueven sobre el polietileno. Esto significa que el polietileno tiene un número extra de electrones (así resulta cargado negativamente) y la lana entonces tiene menos electrones que protones (de manera que resulta cargada positivamente). Observa que sólo los electrones negativos pueden moverse. Los protones positivos permanecen fijos.
Cuando el acetato de celulosa (o vidrio) se frota, resulta positivamente cargado.
Inducción electrostática
Frota un globo sobre tus ropas y a continuación colócalo en la pared o el techo de manera que permanece allí.
Esto sucede porque la carga negativa sobre el globo frotado repele alguno de los electrones del techo fuera de la superficie . Esto deja la superficie cargada positivamente y el globo negativo es atraído por el techo.
Las cargas separadas en el techo se llaman cargas inducidas. Esto explica también porque el papel y el agua son atraídos en los experimentos anteriores.
Electroscopio
Este instrumento se utiliza para decirnos si un objeto está cargado . La copa metálica se conecta a una varilla metálica y a una tira muy n delgada de material (hoja de oro, albal…). La tira de metal está engarzada con la parte de arriba de manera que puede moverse.
Frota una banda de polietileno y colócala cerca de la copa del electroscopio pero sin tocarla ¿Qué le sucede a la tira de metal?
El polietileno negativo induce una carga en el electroscopio repeliendo los electrones negativos hacia debajo de la varilla metálica y la tira metálica. Como las cargas iguales se repelen entre sí, la tira ligera es repelida y levantada. ¿qué sucede cuando retiramos el polietileno ¿ ¿Por qué?
¿Qué pasa si acercamos una tira cargada positivamente?
Carga una banda de polietileno y a continuación desliza firmemente la banda a través del borde de la copa metálica del electroscopio ¿qué sucede?¿Permanece la tira incluso cuando retiramos el polietileno ?
En este caso, algunos de los electrones negativos se mueven del polietileno al electroscopio, donde se dispersan. sobre todas las partes metálicas y hacen elevarse a la tirita por repulsión. ¿Qué ocurre si acercamos una banda cargada?
Conductores y aislantes
Carga un electroscopio como en el experimento anterior, a continuación toca la parte de arriba con tu dedo. ¿qué le ocurre a la hoja del electroscopio ? ¿qué les ocurre a los electrones sobre él?
Tu piel es un conductor de la electricidad porque permite a los electrones moverse a través de él?
Carga el electroscopio de nuevo y a continuación tócalo con una regla de plástico ¿qué le sucede esta vez?
El plástico es un aislante porque no permite los electrones que pasen a través de él ¿Qué les sucede a otros materiales?
Inducción electrostática
Hemos visto que un objeto cargado puede inducir caras en otro objeto. Esto es la inducción eléctrica. Esto sucede porque los electrones pueden moverse a diferentes partes de un conductor por atracción o repulsión.
Cargar dos objetos por inducción
Sigue el diagrama para cargar dos esferas metálicas por inducción
¿Cómo puedes utilizar un electroscopio para comprobar estas esferas?. Repite esto con una regla positiva y dibujar un diagrama para mostrar que sucede (recordar que los electrones se mueven no las cargas positivas)
Cargar un objeto por inducción
Observar que una regla negativa produce una esfera positiva. Repetir esto con una regla positiva y dibujar el diagrama correcto
Cargar un electroscopio por inducción
Esta vez, con una regla positiva (y acabar con una carga negativa), Repetir con una regla negativa y dibuja el diagrama correcto.
LOS PRIMEROS GENERADORES ELECTROSTÁTICOS
Primer generador electrostático de Von Guericke de aproximadamente 1660
Maquinas de frotamiento
Una máquina de frotamiento genera electricidad estática por contacto físico directo con una esfera de vidrio , cilindro o placa cuando es frotada por un trapo cuando pasan por él. Los generadores basados en un disco fueron inventados en los años 1800 por WÍnter. Su elemento característico es un cojín de cuero que cubre aproximadamente un cuarto de su área superficial . El cojín de cuero reemplazaba la mano del experimentador y da un resultado más continuo.
Generadores de inducción
Los generadores electrostáticos de inducción utilizan carga electrostática preexistente para inducir carga eléctrica en otros objetos. La carga inducida puede agudizarse, recrearse y aumentarse de nuevo y de nuevo.
MÁQUINA DE WIMSHURST
La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje y bajo amperaje, capaz de producir electricidad estática por separación de cargas, gracias al giro de una manivela. En cambio los generadores usados actualmente como las pilas, alternadores y dinamos son más bien fuentes de fuerza electromotriz, que causan movimientos de cargas en un circuito cerrado.
La máquina de Wimshurst fue desarrollada por el ingeniero e inventor británico James Wimshurst (1832-1903) entre 1880 y 1883, mejorando versiones de generadores electrostáticos propuestas por otros inventores.
Este instrumento se llama así por el inventor británica James Wimshurst fue desarrollada a primeros de los 1880 para generar altos voltajes de electricidad. Es capaz de generar fácilmente una diferencia de potencial de por encima de 50 a 60 mil voltios.
¿Cómo funciona?
Cuando se da vueltas a la manivela los dos discos de cristal aislado giran en direcciones opuestas por medio de ruedas de polea. Las placas están cubiertas con sectores de estaño espaciados a intervalos regulares.
Solamente una pequeña cantidad de carga residiendo sobre cualquiera de los sectores se necesitan para empezar el proceso por el que cada sector induce una carga igual y opuesta sobre sectores que pasan sobre las placas. Esto, en combinación con la acción de dos conjuntos de barras de metal neutralizadoras y su conjunto de cepillos colocados perpendicularmente entre sí, capaces de acumulación exponencial y separación de las cargas positivas de las negativas.
Las cargas son recogidas por peines metálicos colocados cerca de las superficies de las placas y conducidas a condensadores conocidos como botellas de Leyden. Una vez que la carga eléctrica que es acumulada en los condensadores se ha construido hasta un nivel en el que el voltaje de ruptura del aire se ha alcanzado, una chispa eléctrica como un relámpago ha saltado a través de la zanja entre las armaduras conductoras.
Tales máquinas de inducción, eran más confiables que las máquinas electrostáticas previas y así la máquina de Wimshurst llegó a ser muy popular en los laboratorios de finales del siglo 19 y principio de los 20 para experimentos eléctricos y, por los altos voltajes que son capaces de generar, se utilizaron en los primeros experimentos de rayos X.
https://www.youtube.com/watch?v=wvw8_E1vKMs
Experimentos con la maquina de Whimshurst.
- Dos placas metálicas se conectan a las dos terminales de la máquina de Whimshursty entre ellas se suspenda en un hilo una pelota de poliestireno envuelta en papel albal, Cuando se acciona la máquina la pelta ira de una placa a la otra.
- Un molinillo conectado a la máquina empieza a girar cuando se. Acciona la máquina-
- Una vela encendida situada entre los dos terminales oscila cuando se acciona la máquina.
- En el dispositivo de la figura laas bolitas de su interior se agitan cuando se conecta la máquina
El dispositivo de la figura, llamado planetario, permite observar como la bola da vueltas cuando se conecta y acciona la máquina.
La placa de la figura produce chispas cuando se conecta a la máquina y se activa
CAMPANILLAS DE FRANKLIN
Este dispositivo se nombra así por Benjamin Franklin, aunque las inventó Andrew Gordon alrededor de
1742. Franklin las utilizó para detectar la aproximación de tormentas. El dispositivo consiste en dos campanas sobre monturas no conductoras colgando de una cuerda entre ellas. El dispositivo funciona de dos maneras. El primer camino da a las campanas cargas opuestas. La segunda manera es esencialmente la misma cosa, es exponer una campana a un generador de electricidad estática (máquina de Whirmust o generador de Van de Graaff), y poner a tierra la otra. Franklin utilizó un pararrayos para sus experimentos.
Cuando las campanas se cargan, la bola es atraída hacia una expuesta a la electricidad estática. Se moverá y golpeará la campana, produciendo un sonido de repique. Cuando choca, recogerá la carga sobre la campana. Esto hace que sea repelida y atrae hacia la campana opuesta. Cuando la campana golpea la campana opuesta, el mismo proceso tiene lugar y la bola se moverá de nuevo hacia la primera campana. A medida que la aportación de electricidad se interrumpe, la campana repicará continuamente As long as the supply of
Experimento . Campanillas de Franklin
https://www.youtube.com/watch?v=9MzJnqBpWUs
BOTELLA DE LEYDEN
El invento de la botella de Leyden se le atribuye a Pieter van Musschenbroek, profesor de Física de la Universidad de Leyden en 1745. De forma independiente y simultánea, el inventor alemán Ewald Georg von Kleist también logró almacenar electricidad estática anticipándose al holandés. Intentaban encontrar una forma de almacenar la energía eléctrica utilizando una botella llena de agua o de mercurio. Al año siguiente y de forma independiente el físico Cunnaeus llegó a la misma solución en Leyden, en los Países Bajos.
La botella de Leyden es el precursor de los condensadores. Tras estudiar qué sustancias eran mejores para almacenar la energía dentro de la botella se dieron cuenta de que si dejabas la botella vacía y le añadías una capa de metal dentro y fuera de la botella también se almacenaba la energía electrostática.
En la figura se muestra como se carga una botella de Leyden con una máquina electrostática.
Para conseguir cargas más elevadas empezaron a conectar varias botellas de Leyden formando una batería. Aunque el abad francés Nollet había demostrado que pequeños animales como pájaros y peces morían instantáneamente por la descarga de una botella de Leyden, nadie se imaginaba el peligro que podría llegar a entrañar esta nueva energía con la que jugaban.
¿Qué es una botella de Leyden?
Realmente la botella de Leyden es exactamente un condensador. El condensador más simple contiene dos placas metálicas con nada entre ellas. Si añades carga a un lado de las placas, se producirá una carga opuesta en la otra placa.
Existen dos variantes comunes de la botella de Leyden.
En la versión 1, existen dos trozos de metal alrededor de una copa de cristal. Un trozo de metal permanece dentro de la copa y uno está en el exterior. Sin embargo, para la versión 2 el metal del interior se reemplaza con agua. Puedes sustituir el metal con agua mientras el agua sea un conductor eléctrico. La mayoría de agua conduce la electricidad, pero podrías añadir sal para asegurarse.
Experimento. Carga y descarga de una botella de Leyden
En la figura se muestra una botella de Leyden didáctica
Los conductores metálicos interior y exterior están separados por una copa aislante de plástico. Carga el terminal de aluminio con un generador Van de Graaff o Máquina de Wimshurst, y separa la botella. La carga se almacenará sobre los conductores metálicos y dieléctrico de plástico.
En la figura se muestra como un condensador que se ha cargado con una máquina de Wimshurst se descarga y un vídeo lo muestra
https://www.youtube.com/watch?v=7DhOj1M0jmY
Materiales
-Máquina de Whimshurst
- Botella de Leyden
- Cable de cobre doblado en U con los extremos pelados
- Dos cables conductores con pinzas de cocodrilo en amos extremos
Procedimiento
- Se conecta el cilindro interior metálico de la botella de Leyden con uno de los cables conductores al terminal positivo de la maquina de Whimshurst y el cilindro metálico exterior con el otro conductor al cilindro metálico exterior.
- Se acciona la maquina dando varias vueltas a su manivela para cargar la botella.
- Con el cable doblado en U se toca el cilindro exterior y se acerca el otro extremo a la bola conectada al cilindro interior. Salta una gran chispa que descarga la botella.
- Se repite el proceso varias veces.
Si no se dispone de una botella de Leyden comercial casera se puede construir una por varios métodos.
Experimento Una botella de Leyden casera 1
Materiales necesarios
- Un pequeño contenedor de plástico con una tapadera
- Hoja de aluminio
- Un tenedor de acero
- Un tubo de PVC y tela de lana para cargar
Pasos
- Pega la hoja de aluminio alrededor del contenedor de plástico, y sobre su parte de abajo. Este actuará como el conductor exterior del condensador.
- Hacer un agujero en la tapa del contenedor. El tenedor debería pasar a través del agujero y mantenerlo fijo cuando se cierra la tapa sobre el contenedor.
- Llena dos tercios del contenedor con agua. Tener cuidado que la tapa o el borde del contenedor no esté húmedo ya que haría que la carga se dispersaría..
- Cerrar el contenedor con la tapa con la el tenedor atravesándola.
Cargar la botella de Leyden
Coloca la botella de Leyden sobre el suelo. Frota un tubo de PVC sobre lana y pásalo a lo largo cerca del tenedor. En tiempo seco, puedes oír el chasquido de la carga el-eléctrica transfiriéndose desde el tubo de PVC a la botella de Leyden a través del tenedor. Repetir esto de 10 a 15 veces para cargar suficientemente la botella de Leyden.
Si ahora tocas el tenedor, recibes un calambre eléctrico moderado. Lo bastante fuerte. Para ver chispas sin sentir el inconveniente del calambre, puedes utilizar una cuchara de acero para tocar el tenedor, con un extremo de la cuchara tocando el suelo.
Experimento. Una botella de Leyden casera 2
Con unos materiales fáciles de conseguir en casa y algo de habilidad manual, se puede emular al profesor Musschenbroek y construir una botella de Leyden. Para ello se necesita:
– 1 frasco de vidrio o plástico, como los de mayonesa.
– 1 tapa aislante de plástico horadada por la que se hará pasar un alambre o cable rígido.
– Tiras rectangulares de papel aluminio de cocina para cubrir, pegar o adherir al interior y al exterior del frasco. Es importante que la cobertura de aluminio no llegue hasta el borde del frasco, puede ser un poco más arriba de la mitad.
– Un cable flexible sin aislante que se empalma a la parte interior de la varilla, de modo que haga contacto con el papel aluminio que recubre el interior de la pared del frasco.
– Esfera metálica (va encima de la tapa para evitar el efecto de puntas).
– Cable sin aislante que se enlazará a la lámina exterior de aluminio.
– Regla y tijeras.
– Cinta adhesiva.
Nota: Otra versión que evita el trabajo de colocar el papel aluminio en la parte interior consiste en llenar la botella o frasco con una solución de agua y sal, la cual hará las veces de placa interior.
Procedimiento
Recubra la botella por dentro y por fuera con las tiras de papel de aluminio, de ser necesario se fijan con la cinta adhesiva, cuidando de no sobrepasar demasiado la mitad del frasco.
– Perfore cuidadosamente la tapa para hacer pasar el alambre o el cable de cobre sin cubierta aislante, para poner en contacto el papel de aluminio interior de la botella con el exterior, donde debe colocarse la esfera conductora justo por arriba de la tapa.
– Más cable sin aislante se usa para enlazar la cubierta externa y hacer una especie de asa. Todo el conjunto debe quedar parecido a lo que se muestra en las figura.
EL GENERADOR DE VAN DE GRAAF
El propósito del generador de Van de Graaff es depositar una gran cantidad de carga eléctrica positiva sobre un domo metálico conductor. El generador , que utiliza la electrización por frotamiento y por inducción, actúa como un grifo de cargas que se almacenan en el domo del generador.
¿Cómo funciona?
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.
Una polea acciona una cinta aislante a la que se le proporciona cargas positivas, producidas por una fuente de alimentación, mediante un peine de puntas metálicas. Los electrones son desprendidos de la correa, dejándola cargada positivamente. Un peine similar en lo alto se encarga de difundir sobre la cúpula las cargas netas positivas
Un conductor metálico hueco A de forma esférica, está sostenido con aislantes de plástico, atornillados en un pie metálico conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico.
Dos peines G y H hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.
Generador de van de graaff - chispas gigantes de 250 kv
https://www.youtube.com/watch?v=jMklJWrHq7k&t=729s
Experimento : Generador de Van de Graaff. Pelos de punta
Materiales
Generador de Van de Graaff, penacho, taburetes aisladores, punta metálica
Procedimiento
- Con el generador parado un asistente subido sobre un taburete aislante pone la mano sobre el domo y en la otra sujeta el penacho de papeles. Se pone en marcha el generador. El cuerpo de la persona que sujeta el penacho se va cargando y las hojas del penacho acaban por separarse y eventualmente los pelos se ponen de punta (se le acerca un espejo para que pueda verse). Para facilitar el proceso se debe agitar la cabeza para que se deshagan las hebras de pelo, hay que asegurarse que no se quita la mano del domo, no se toca a nadie ni a ninguna cosa, ni se baja de la silla. Si se infringen estas normas se siente un calambre desagradable. Esto ocurre porque al hacerlo se completa la conexión eléctrica y hace de tierra. La electricidad estática, en lugar de permanecer en el cuerpo pasa ahora a tierra.
- Se repite el experimento con varios asistentes, subidos a taburetes aislantes y agarrados de la mano, antes de poner en marcha el generador. El último sujeta el penacho de papeles que se repelen cuando el generador se pone en marcha. Eventualmente los pelos de los agarrados de la mano se ponen en punta.
Otros experimentos
- El cereal de trigo inflado es una buena demostración de repulsión electrostática. Las cargas que se han recogido en la parte exterior de la esfera, pueden separarse aún mas, mediante la transferencia al trigo inflado. Son repelidas por las cargas de Van de Graaff en la esfera y salen volando. El recipiente de plástico se une a la cúpula de Van de Graaff con cinta adhesiva para que no vuele.
- Las burbujas de jabón pueden ser repelidas por el alto voltaje de Van de Graaff. El hecho de que sean repelidas implica que las burbujas recogen la misma carga que las de Van de Graaff.
CAMPO ELÉCTRICO
El espacio que rodea a una carga o conjunto de cargas queda perturbado por la presencia de las mismas que ejercen su acción a distancia. Se dice que en el espacio hay un campo eléctrico y la perturbación se aprecia porque, si en esta espacio se pone una carga de prueba (que por convenio se supone positiva) experimenta una fuerza.
En los experimentos que siguen se puede apreciar que la carga sobre el domo del generador produce ionización en las moléculas que están próximas, en las del aire o en las de un tubo fluorescente próximo al domo.
Experimento . Ionización del gas de un fluorescente
Materiales
Generador de Van de Graaff, tubo fluorescente
Procedimiento
Se pone en marcha el generador de Van de Graaff y se coloca muy próximo un fluorescente que se sujeta por un extremo y se aproxima sobre el otro. Apagando la luz puede apreciarse como el fluorescente se enciende.
- La descarga de alto voltaje de este generador, puede excitar el fósforo en un tubo fluorescente normal. Los electrodos de un extremo se mantienen sobre o cerca del generador de Van de Graaff, y la chispa salta en el interior del tubo fluorescente.
Experimento . Viento eléctrico
Materiales
Van de Graaff, un objeto con punta metálica, cinta aislante, punta metálica
Procedimiento
- Se coloca con cinta aislante un conductor con forma de punta sobre el domo del generador y apuntando radialmente hacia fuera utilizando la cinta aislante o la plastilina. Al acercar una vela encendida a la aguja se observa como se desvía la llama e incluso la vela se apaga.
- Se detiene el generador y se descarga con una punta metálica. Un asistente toca el domo subido sobre un taburete aislado. Se pone en marcha y después estira su dedo hacia una vela encendida que de nuevo oscila. En esta ocasión el dedo hace de punta.
Viento electrostático
Estando sobre un aislante y tocando sobre el domo acerca la punta de una aguja a una llama ¿de qué manera se mueve la llama?
Esto ocurre porque si la punta está cargada positivamente atrae a algunos electrones delos átomos del aire . Esto deja a los átomos cargados positivamente. Decimos que el aire está ionizado-Los átomos cargados positivamente (llamados iones) son repelidos desde la punta como un “viento eléctrico”.
Generador de van de graaff. campos eléctricos y experimentos /efecto punta)
https://www.youtube.com/watch?v=QmhXaoocDcI
Experimento. Un molinillo eléctrico
Conectar una máquina Van de Graaff a un molinillo metálico sobre una base aislante. ¿qué sucede cuando conectas la máquina?
Como los iones son repelidos desde las puntas, las puntas son repelidas por los iones (tercera ley de Newton)
Material
Generador de Van de Graaff, molinillo con soporte aislante
Procedimiento
- Se conecta el generador y se aproxima el molinillo al domo del generador. Cuando este se pone en marcha el molinillo empieza a girar cada vez con mayor velocidad.
La distribución de la carga sobre el domo del conductor es uniforme debido a su forma esférica. Esto no ocurre para los objetos con forma irregular o no simétrica. Por esta razón las partes estrechas siempre tienen mayor concentración de cargas que las partes anchas. El efecto será máximo para los objetos en forma de punta. En la punta que se ha colocado sobre el domo la carga en la punta será tan intensa que ionizará las moléculas del aire próximo. Los iones negativos se desplazarán hacia el domo del generador para neutralizar su carga (que se supone que es positiva). Los iones positivos, sin embargo, se alejan (debido a la repulsión electrostática) de la carga del generador y no se neutralizan. A medida que el generador funciona proporciona más y más iones positivos a alta velocidad. Los iones repelidos forman un viento llamado “viento eléctrico” que sopla alejándose del generador.
En el molinillo la carga fluye desde el domo hacia las puntas. Esta carga distribuida forma una nube de iones en el aire. Cada punta negativa es repelida por la nube de iones asociada haciendo que gire.
ELECTRICIDAD RECREATIVA
La electricidad estática estaba generada dando vueltas a un cilindro de vidrio o de azufre que se frotaba con una tira de cuero La carga se transfiere a los zapatos de un chico suspendido de cuerdas de seda. El muchacho coloca su mano sobre una placa con pequeños trozos de papel o plumas que son atraídos por su mano. La muchacha de la derecha mueve su mano cerca de la nariz del muchacho y recibe un calambre.
En el siglo 18, todo el mundo quería experimentar un calambre eléctrico. Experimentos como el "beso eléctrico" también fueron un pasatiempo de salón.
Pronto investigadores y charlatanes empezaron a curar enfermedades con calambres eléctricos como en la imagen de 1750 en la que se utiliza la electricidad estática contra el dolor de muelas
Experimento. Calambres
Materiales
- Generador Van de Graaff
- Taburetes aislantes
- Pinchos morunos de aluminio
Procedimiento
- Una persona se sube a un taburete aislante, coloca su mano sobre el domo del generador que se pone en marcha y alarga su mano
- Otra persona en el suelo intenta estrechársela y recibe un calambre. Esto reproduce la experiencia del beso eléctrico.
- Varias personas en el suelo se agarran de la mano. Se pone en marcha el generador y el primero dan la mano al que está sobre el taburete y reciben un gran calambre
Un grupo de frailes agarrados de la mano reciben un calambre
RAYOS Y TRUENOS
En una tormenta eléctrica, las nubes de tormenta están cargadas. La parte superior de la nube es positiva y la parte baja es negativa. El cómo la nube adquiere esta carga no se ha explicado bien todavía.
La parte de abajo una nube lleva carga negativa. Aparecen, por inducción, cargas positivas sobre el suelo, edificios, palos de barcos, banderas, cimas de montañas o árboles.
Se supone que desde la parte baja de la nube aparece un zigzag de segmentos o escalones de carga eléctrica negativa formada por segmentos en zigzag o escalones.
Cuando el zigzag está a una distancia de unos 45 metros de una carga positiva sobre el suelo, desde el suelo un chorro serpenteante de carga positiva sube para encontrarse con el y se produce un rayo. También se producen rayos entre las nubes.
Un rayo se produce en medio segundo. En ese tiempo, el rayo calienta el aire circundante a una gran temperatura. El aire cercano se expande y vibra, produciendo el sonido que escuchamos como el trueno. El sonido viaja más lentamente que la luz, por lo que parece que el trueno ocurre después.
En 1752 el científico y hombre de estado, Benjamin Franklin, realizó un experimento para demostrar que los rayos eran electricidad. Durante una tormenta en Filadelfia, Pensilvania, Franklin y su hijo Guillermo hicieron volar una cometa casera con un cable metálico unido a ella. Franklin pensó que un rayo incidiría sobre el alambre, fluiría sobre el cable de una cometa hasta una llave atada cerca del extremo.
La cometa entró en una nube de lluvia. Franklin vio saltar una chispa. El experimento funcionó. El rayo tenía que ver con la electricidad. Franklin fue afortunado. Si el rayo hubiera sido más intenso hubiera podido resultar herido.
Posteriormente Benjamin Franklin desarrolló el pararrayos – una punta metálica unida a los cimientos del edificio que se quiere proteger por una conducción de cobre o aluminio introducido en el suelo. El funcionamiento de los pararrayos se conoce mal , no atraen a los rayos sino que proporcionan un camino de baja resistencia hacia el suelo que puede conducir enormes cantidades de electricidad procedentes de los rayos.
Experimento. Chispas y Rayos
Materiales
Generador Van de Graaff, esfera conductora conectada a tierra, un objeto metálico en punta.
Procedimiento
- La esfera conectada a la base del generador (a tierra) se coloca a unos pocos centímetros del domo del generador de Van de Graaff. Cuando se conecta, el domo queda cargado negativamente y la esfera conectada a tierra queda cargada positivamente por inducción. Como ocurre con la parte baja de una nube y el suelo. Salta una chispa y las dos esferas pierden sus cargas. También se oyen chasquidos. Las chispas equivalen a los rayos y los chasquidos son los truenos.
- Varias veces a lo largo de esta sesión se ha descargado el domo del Van de Graaff con un objeto conductor en punta que se sujeta con la mano.
- Con el sistema funcionando, una punta conectada a tierra se orienta hacia el domo del Van de Graaff desde una distancia de varias veces la distancia entre el domo y la esfera conectada a tierra. La punta descarga al domo, evitando la construcción de una carga y la consiguiente descarga. Aquí se está simulando un pararrayos.
En el año 1752 y para la comunidad científica existía la sospecha de que la energía que liberaban las nubes en forma de rayo eran descargas eléctricas. Franklin fue quien dio un paso adelante con un experimento. Un día de tormenta salió a campo abierto con su hijo y una cometa de armazón metálico a la que anudó una llave, que fue receptora de un rayo. Aquello demostraba su teoría de que las nubes estaban cargadas de electricidad, así que los rayos eran, sin duda, descargas eléctricas.
- En San Petersburgo, el 6 de Agosto de 1783. el profesor Richman y su ayudante intentaron una experiencia parecida a la de Franklin. Fueron alcanzados por un rayo mientras cargaban botellas de Leyden. El ayudante resultó ileso pero Richman murió.
PARARRAYOS
Lo ocurrido aquel 15 de junio permitía pensar en una manera de desviar deliberadamente los rayos eléctricos, canalizándolos a través de un hilo conductor, para finalmente mandarlos a tierra. El invento supondría un avance en el conocimiento de la energía eléctrica y, al mismo tiempo, una gran noticia para la seguridad humana: aquello era, nada más y nada menos, el pararrayos.
Apenas un año más tarde, en 1753, comenzaron a instalarse barras metálicas con la punta de cobre o platino en los tejados de todo Estados Unidos, y muy pronto en el resto del mundo. El principio es sencillo: el rayo golpeaba la barra metálica y esta seguía por una línea de conducción hasta ser absorbida por un disipador que la neutralizaba en la tierra.
Aquel éxito tuvo una gran repercusión y se instalaron pararrayos en sitios insospechados incluso sobre paraguas
El señor que descubrió el pararrayos volando una cometa
LA CARGA ESTÁTICA SE DISTRIBUYE EN LA SUPERFICIE DE LOS CONDUCTORES
La carga en los conductores se distribuye en su superficie. Este hecho lo comprobó en 1837, Faraday. Se encerró, con sus instrumentos para medir el campo, en un gran cubo conductor cargado a tan alto voltaje que saltaban chispas de sus esquinas, y se convenció de que no podía detectar el hecho de que la caja estaba eléctricamente cargada.
La jaula de Faraday ilustra un número de las consideraciones de seguridad importantes para alguien que se vea alcanzado por una tormenta o cuando se necesita trabajar con electricidad de alto voltaje. El lugar más seguro en una tormenta con rayos es el interior de un contenedor metálico con una estructura de acero o un automóvil.
Los circuitos de alto voltaje están construidos normalmente dentro de cerramientos de metal para proteger a alguien fuera del edificio. El cerramiento metálico forma una superficie en el que se acumula la carga.
La carga en un conductor en equilibrio se distribuye en su superficie. Una jaula de Faraday es una aplicación de este hecho. Una jaula de Faraday puede ser un recinto construido con metal o tela metálica de manera que forme un entorno eléctrico conductor. Faraday se encerró con sus instrumentos para medir campo eléctrico en un gran cubo conductor cargado a tan alta tensión que saltaban chispas de sus esquinas. Desde dentro no pudo detectar ningún tipo de carga o campo eléctrico.
Si conectamos una jaula de Faraday como se muestra en la figura a un generador electrostático dotándola de gran carga esta se distribuirá en su superficie. Si acercamos una gran punta conductora conectada a tierra saltan chispas hacia la punta que no afectan a la persona del interior.
La jaula de Faraday ilustra un número de consideraciones de seguridad para alguien que se vea alcanzados por una tormenta o cuando se necesita trabajar con alto voltaje. El lugar más seguro en una tormenta cuando se producen rayos es el interior de un contenedor metálico con una estructura de acero o un automóvil .
También los circuitos de alto voltaje están construidos normalmente de cerramientos de metal para proteger a las personas del exterior. El cerramiento metálico forma una superficie equipotencial al mismo voltaje que tierra y evita que cualquiera de los altos voltajes en el interior de la jaula alcancen el exterior.
Experimento . Jaula de Faraday
Materiales
Generador de Van de Graaff, una jaula con barrotes metálicos que tiene pegados papelitos por fuera y por dentro (también un pájaro en equilibrio), taburete aislante, esfera conductora conectada a tierra
Procedimiento
- Se coloca la jaula sobre un taburete aislante y luego se conecta al domo del generador Van de Graaff. La esfera conductora se conecta a tierra.
- Se pone en marcha el generador de Van de Graaff. La jaula se carga con la misma carga que el domo. Los papelitos del exterior de la jaula se ven repelidos mientras que los del interior permanecen inalterados. El pajarito parece estar a salvo.
- Al acercar una punta conductora conectada a Tierra saltan chispas que no afectan al interior de la jaula, el pájaro sigue a salvo.
Experimento. Una radio envuelta en papel de aluminio
Materiales
Radio de transistores, papel de periódico, papel de aluminio.
Procedimiento
- Se sintoniza la radio a una emisora que se escuche claramente. Se envuelve en papel de periódico y la radio sigue oyéndose.
- Se envuelve ahora en papel de aluminio. La radio deja de oírse al quedar encerrada en una jaula de Faraday (el papel de aluminio que es conductor) que no deja pasar el campo eléctrico, uno de los componentes (con el campo magnético) de las ondas de radio que son las ondas electromagnéticas.
Van de Graaff y jaula de faraday