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Capítulo 1
Campos eléctricos
La esfera metálica neutra tiene igual número de cargas positivas y negativas. a Al acercar una varilla cargada, los electrones se redistribuyen.
b Al conectar la esfera a tierra, algunos de sus electrones se fugan a través del alambre a tierra.
c El exceso de carga positiva no está distribuido de manera uniforme.
d Al retirar la varilla, los electrones restantes se redistribuyen y hay una distribución uniforme positiva de carga neta sobre la esfera. e
Figura 1.3
Carga de un objeto metálico mediante inducción. (a) Esfera metálica neutra. (b) Una varilla de hule cargada se coloca cerca de la esfera. (c) La esfera es conectada a tierra. (d) La conexión a tierra es removida. (e) La varilla es removida.
nes). La conservación de la carga eléctrica de un sistema aislado es como la conservación de la energía, del impulso y del momento angular, pero no se identifica un modelo de análisis para este principio de conservación, ya que no se utiliza con bastante frecuencia en la solución matemática a los problemas. En 1909, Robert Millikan (1868-1953) descubrió que las cargas eléctricas siempre se presentan como un entero múltiplo de una cantidad básica de carga e (véase la sección 3.7). En términos actuales se dice que la carga eléctrica q está cuantizada, y q es el símbolo de la variable para la carga; en otras palabras, la carga eléctrica existe en forma de “paquetes” discretos y se escribe q 5 ±Ne, donde N es algún número entero. Otros experimentos en el mismo periodo demostraron que el electrón tiene una carga 2e y el protón una carga de igual magnitud, pero de signo contrario, 1e. Algunas partículas, como el neutrón, no poseen carga. E xamen rápido 1.1 Se colocan tres objetos, muy cerca uno del otro, dos al mismo tiempo. Cuando se juntan los objetos A y B, se repelen. Cuando se acercan los objetos B y C, también se repelen. De los siguientes enunciados, ¿cuál es el verdadero? (a) Los objetos A y C tienen cargas del mismo signo. (b) Los objetos A y C poseen cargas de signos opuestos. (c) Los tres objetos tienen cargas del mismo signo. (d) Uno de los objetos es neutro. (e) Es necesario llevar a cabo experimentos adicionales para determinar los signos de las cargas.
1.2
Objetos cargados mediante inducción
Es conveniente clasificar los materiales en función de la capacidad con que los electrones se mueven a través del material:
Los conductores eléctricos son aquellos materiales en los cuales algunos de los electrones son libres,1 no están unidos a átomos y pueden moverse con libertad a través del material. Los aislantes eléctricos son aquellos materiales en los cuales todos los electrones están unidos a átomos y no pueden moverse libremente a través del material. Materiales como el vidrio, el hule y la madera seca se incluyen en la categoría de aislantes eléctricos. Cuando estos materiales son frotados, sólo la zona frotada se carga, y las partículas con carga no pueden moverse hacia otras zonas del material. En contraste, materiales como el cobre, el aluminio y la plata son buenos conductores eléctricos. Cuando están con carga en alguna pequeña zona, la carga se distribuye de inmediato en toda la superficie del material. Una tercera clase de materiales son los semiconductores, cuyas propiedades eléctricas se ubican entre las correspondientes a los aislantes y a los conductores. El silicio y el germanio son ejemplos muy conocidos de materiales semiconductores de uso común en la fabricación de una gran diversidad de chips electrónicos utilizados en computadoras, teléfonos celulares y estéreos. Las propiedades eléctricas de los semiconductores cambian, en varios órdenes de magnitud, a partir de la adición de cantidades controladas de ciertos átomos. Para comprender cómo se carga un conductor por un proceso conocido como inducción, considere una esfera conductora neutra (sin carga) aislada de la tierra, como se muestra en la figura 1.3a. En la esfera existe una cantidad igual de electrones y de protones, ya que la carga de la esfera es igual a cero. Cuando a la esfera se le acerca una varilla de hule con carga negativa, los electrones en la región más cercana a la varilla experimentan una fuerza de repulsión y emigran al lado opuesto de la esfera. Esto provoca que
1Un átomo de metal tiene uno o más electrones exteriores, con una unión débil al núcleo. Cuando se combinan muchos átomos para formar un metal, los electrones libres son electrones exteriores, que no están unidos a ningún átomo y se mueven por el metal de una forma similar a como lo hacen las moléculas de gas en el interior de un recipiente.