Chispas y rayos

1.    CARGA ELÉCTRICA

Carga por frotamiento

En la vida diaria es frecuente observar fenómenos eléctricos que se producen por frotamiento. Por ejemplo al peinarnos o cepillarnos el pelo pueden generarse chispas eléctricas que a veces se detectan por el ruido que producen. Lo mismo ocurre cuando nos quitamos un jersey o una camisa de fibra sintética. Según las sustancias se pueden considerar cargas dos tipos de carga: positivas y negativas. Se puede comprobar que cuerpos con cargas iguales se repelen y cargas de distinto tipo se atraen.

La explicación  de los dos tipos de carga en los cuerpos está en la naturaleza eléctrica de la materia. En los átomos hay igual número de protones (carga +) que de electrones (carga -). Cuando dos cuerpos se frotan, parte de los electrones de uno de ellos pasa al otro quedando cargado positivamente mientras el que los recibe queda cargado negativamente. Los protones no participan porque están en el núcleo.

Conductores y aislantes

Los metales permiten moverse la carga eléctrica son los conductores y los que no dejan pasar las cargas eléctricas los aislantes. En un lugar intermedio están los semiconductores como el silicio y el germanio con los que se construyen diodos, transistores, chips...

Carga por inducción

Si frotamos un bolígrafo y luego lo acercamos a un papel vemos que lo atrae. Al acercar el bolígrafo al papel las cargas del bolígrafo repelen a las del mismo signo del papel y atraen a las de signo opuesto. En el papel se ha inducido una carga de signo opuesto a la del bolígrafo y ambas se han atraído. Lo mismo ocurre con un globo cargado por frotamiento con un jersey. Cuando se acerca el globo a una pared en la pared se induce una carga de signo opuesto a la del globo y la fuerza entre cargas de signo opuesto mantiene al globo en la pared. También un peine que se ha frotado en el pelo atrae a un chorrito de agua al aparecer en el chorro una carga de distinto signo a la del peine

 RRIBA

Experimento 1: Fenómenos electrostáticos

Se cargan frotándolos contra el pelo un peine, que atrae a un chorro de agua. Y un globo que se pega a la pared.

Materiales

Regla, peine, bureta con soporte, globos

Procedimiento

Se realiza una colección de experimentos tradicionales y sencillos de electrostática que se pueden realizar en casa:

  • Una regla se frota y atrae papelitos.

  • Se deja salir un chorro de agua fino desde la bureta y se le acerca un peine electrizado que atrae al chorro.

  • Se frota un globo sobre el jersey y queda pegado a la pared

2. 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.

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.

 3. 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 el 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 3. 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.

Experimento 4. 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.

 

Experimento 5.  Un molinillo eléctrico

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.

4. 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.

Se hacen saltar chispas entre el domo y una esfera conductora conectada a tierra simulando 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. 

5. 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.

 

Experimento 7. 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.

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.

 

6. CARGA Y CORRIENTE ELÉCTRICA

La descarga de una nube o  la descarga del domo del generador de Van de Graaff cuando utilizamos una punta metálica es un  proceso es extremadamente rápido y de este movimiento de cargas (una corriente eléctrica)  no puede obtenerse un aprovechamiento. La pila de Volta, semejante a la que hemos hecho en la Magia Química, utilizando dos metales diferentes sumergidos en un electrolito, es capaz de producir un movimiento de cargas continuo que puede aprovecharse para producir diferentes efectos: luz, calor, efectos magnéticos... o como en nuestro caso hacer funcionar diferentes dispositivos como el reloj de cuarzo que se construye en la magia química.

Dos magnitudes caracterizan a la corriente eléctrica. La intensidad que mide el caudal de cargas que pasan por un conductor (los amperios) y la diferencia de potencial o voltaje (en voltios) que tiene que ver con la energía que suministra el generador.

En el caso de una tormenta el voltaje y la intensidad de la corriente son inmensos. Puede suponerse que en la producción de un rayo se aproximan a 100 millones de voltios y 100000  amperios (una décima de amperio puede ser mortal). El domo del generador de Van de Graaff puede alcanzar mas de 100000 voltios pero la intensidad de sus descargas es de millonésimas de amperio por lo que en el peor de los casos sólo produce ligeras molestias. 

Después del descubrimiento de Volta, Faraday fue capaz de investigar la producción de corriente eléctrica utilizando el magnetismo y estableció los principios de los alternadores que se utilizan actualmente en las centrales eléctricas

 

Experimento 9 . Se muestra la producción de luz con una linterna que funciona con un alternador.

 

7. CORRIENTE CONTINUA Y CORRIENTE ALTERNA

La corriente eléctrica que produce una pila es continua, el movimiento de las cargas se produce en un solo sentido.

En la corriente alterna las cargas se mueven cambiando de sentido. Este es el tipo del que disponemos en los enchufes de nuestras casas que cambia de sentido 50 veces por segundo.

La primera utilización de la corriente eléctrica para iluminar y el diseño de la primera bombilla fueron realizados por Edison en la ciudad de Nueva York y utilizó corriente continua. Tesla, un investigador de origen centroeuropeo era partidario de la corriente alterna que presentaba más facilidades para el transporte. La animosidad entre Edison y Tesla fue tal que Tesla se negó a recibir el premio Nobel compartido con Edison y al final no lo recibió ninguno. El tiempo dio la razón a Tesla.

 

Nikola Tesla (1856-1943) construyó un tipo de transformador que es capaz de producir altos voltajes a alta frecuencia (miles de oscilaciones frente a los 50 ciclos de la corriente de nuestra casa). En 1899 Tesla produjo descargas eléctricas enormes de 40 metros a 60 m por encima del suelo con una bobina de 12 millones de voltios en su laboratorio de Colorado Springs. La sobrecarga de la línea que se produjo incendió el alternador de la compañía eléctrica de Colorado Springs Electric Company.

Tesla imaginó este invento para el transporte de la energía eléctrica sin el uso de cables. La bobina Tesla es esencialmente un radiotransmisor sin antena, y así se puede atribuir a Tesla algún crédito en la invención de la radio, aunque su interés estaba más en la transmisión de la energía que en la comunicación. 

Experimento 10. La bobina Tesla

Materiales

Bobina tesla, trozo de metal (por ejemplo una llave), conductor que termina como un gancho

Procedimiento

  • Se conecta la bobina y se aproxima al terminal con forma de bola un trozo de metal sujeto con la mano (una llave). La descarga eléctrica de alta frecuencia y alto voltaje formará un arco entre el terminal en bola y el objeto metálico. ¿Hasta dónde puede llegar este arco?

  • Después de colocar el conductor se hace saltar una chispa entre el conductor y la esfera.

 

Materiales

Bobina Tesla, fluorescente

Procedimiento

- Se acerca un tubo fluorescente a la bola de la bobina Tesla. El fluorescente se enciende sin que exista contacto. El gas en su interior se ioniza.

 

Experimento 12. Construir una bola de plasma con una bombilla

Materiales

Bola de plasma, Tesla, bombilla convencional con casquillo

Procedimiento

  • Se muestra el funcionamiento de una bola de plasma que alberga en realidad en su interior un Tesla.

  • Se conecta una bombilla convencional a la bobina Tesla. La bombilla muestra un comportamiento semejante a la bola de plasma.