MAGNETISMO II

LÍNEAS DE FUERZA MAGNÉTICAS

La Figura 1 es reproducción de una fotografía. En ella se representa un curioso experimento. Un brazo descansa sobre los 6 polos de un electroimán y toda una serie de clavos grandes se mantienen de pie en él como si fueran cerdas. El brazo no siente en absoluto la acción de las fuerzas magnéticas; sus hilos invisibles pasan a través de él sin revelar su presencia. Pero los clavos de hierro se someten sumisamente a su acción y se colocan en un orden determinado, poniendo de manifiesto la dirección de las fuerzas magnéticas.

Figura 1. Las fuerzas magnéticas pasan a través del brazo.

El hombre no posee ningún órgano sensible a los campos magnéticos, por lo tanto, lo único que podemos hacer es imaginarnos las fuerzas que rodean a los imanes^[1]. Sin embargo, no es difícil descubrir indirectamente cómo se distribuyen estas fuerzas. Lo mejor para conseguir esto es emplear limaduras de hierro. Estas limaduras se echan, formando una capa uniforme, sobre un trozo de cartulina lisa (o sobre una lámina de vidrio), debajo de ella se coloca un imán ordinario y se agitan suavemente las limaduras dándole unos golpecitos a la cartulina. Las fuerzas magnéticas pasan sin dificultad a través de la cartulina o del vidrio y las limaduras de hierro se imantan; por eso, cuando golpeamos la cartulina, se separan por un instante de su superficie y pueden girar influidas por las fuerzas magnéticas y tomar la posición que en cada punto dado tomaría una aguja magnética, es decir, se orientan siguiendo las "líneas de fuerza" magnéticas. Como resultado, se obtiene que las limaduras forman filas que ponen de manifiesto la distribución de las líneas de fuerza invisibles.

Figura 2. Distribución de las limaduras de hierro en un cartón puesto sobre los polos 

Cuando colocamos sobre el imán nuestra cartulina con las limaduras y la agitamos, obtenemos el cuadro que muestra la Figura 2. Las fuerzas magnéticas crean un sistema complejo de líneas curvas. Puede verse cómo salen radialmente de cada polo del imán y cómo las limaduras se unen entre sí formando arcos más o menos largos entre ambos polos. Estas limaduras de hierro muestran de una manera gráfica lo que el físico ve ante sí mentalmente y que de forma invisible existe alrededor de cada imán. Las líneas formadas por las limaduras son tanto más densas y bien definidas cuanto más cerca están de un polo; por el contrario, se enrarecen y pierden nitidez a medida que se alejan de él.

Figura 2. Distribución de las limaduras de hierro en un cartón puesto sobre los polos 

MAGNETISMO

                                                 EL PROBLEMA DE LA BRÚJULA

Estamos acostumbrados a pensar que la aguja magnética siempre señala con uno de sus extremos hacia el norte y con el otro hacia el sur. Por esto parece absurda la pregunta que sigue:

¿En qué sitio de la esfera terrestre los dos extremos de la aguja magnética señalan al norte?

Y más disparatada aún resulta esta otra:

¿En qué sitio de la Tierra los dos extremos de la aguja magnética señalan hacia el sur?

El lector estará dispuesto a decir que en nuestro planeta ni existen ni pueden existir estos sitios. Pero sí, existen.

Recuerde usted que los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los geográficos y se dará cuenta de cuáles son los sitios a que se refieren las preguntas. ¿Hacia dónde señalará la aguja magnética situada en el polo sur geográfico? Uno de sus extremos señalará hacia el polo magnético más próximo y el otro en sentido contrario. Pero estando en el polo sur geográfico, cualquiera que sea la dirección que tomemos siempre iremos hacia el norte,puesto que en el polo sur geográfico no hay otra dirección, en torno a él todo es norte. Por lo tanto, la aguja magnética que se encuentre allí señalará con sus dos extremos hacia el norte.

Lo mismo ocurrirá con la aguja magnética que se sitúe en el polo norte geográfico, cuyos dos extremos señalarán al sur.

POTENCIAL ELÉCTRICO

ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA

A esta energía se le llama energía potencial porque en su estado almacenado tiene el potencial de realizar un trabajo. Por ejemplo: entre mas alto se encuentre un objeto, mayor es la energía potencial que tiene, pues existe mas distancia con respecto al suelo. Al dejar un objeto en libertad, este se mueve hacia al suelo y disminuye su energía potencial pero aumenta su energía cinética.

Al poner una carga e prueba (recuerda que estas son positivas y su carga es muy pequeña) esta se moverá hacia la carga negativa, y aumentara se energía cinética, pero disminuirá su energía potencial eléctrica, cuanto más lejos se ubiquen la carga de prueba con respecto a la carga negativa, mayor capacidad tiene el campo eléctrico de realizar trabajo. Por tanto, mayor será la capacidad de la carga para desarrollar energía cinética.

POTENCIAL ELÉCTRICO

Cuando se trabaja con partículas cargadas en campos eléctricos, es más conveniente considerar la energía potencial por unidad de carga, a este concepto se le llama potencia eléctrico.

<< El potencial en un punto del campo eléctrico es la energía potencial de la unidad de carga positiva en ese punto >>

El potencial eléctrico se expresa como:

V=Ep/q

La unidad del potencial eléctrico en el S.I. es el voltio (V), que equivale a un julio por culombio (J/C). Un voltio representa el potencial que existe en un punto en el que, al colocar una carga de un culombio, adquiere una energía potencial de un julio.

El potencial eléctrico es una magnitud escalar, cuyo valor depende de la posición del punto considerado. Por lo tanto, si consideramos 2 puntos A y B en un campo eléctrico, sus respectivos potenciales serán:

VA= EPA/q  y  VB= EPB/q

La diferencia de potencial entre los puntos A y B cuyo potencial en cada punto es VA y VB respectivamente, se expresa como:

▲V= VA - VB

Si una carga positiva se mueve en la dirección el campo eléctrico, quiere decir que la carga pierde energía potencial y siempre va de un punto de mayor potencial a una de menor potencial, por lo tanto, se dice que hay una caída de potencial.

CAMPO ELÉCTRICO IV

    CAMPO ELÉCTRICO UNIFORME

Un campo eléctrico es uniforme si en cualquier punto del campo su dirección e intensidad es la misma.

El campo eléctrico entre dos placas es uniforme excepto en los extremos de las placas, debido a que en dichos extremos las líneas de fuerza se curvan.

La diferencia de potencial entre las placas se relaciona con la variación de la energía potencial eléctrica y con la carga mediante la expresión:

                                               ▲V= ▲E_P/q

·         BLINDAJE ELECTROSTÁTICO

Cuando un conductor electrizado se encuentra en equilibrio electrostático, el campo eléctrico es nulo en todos sus puntos internos. Si dicho conductor presenta una cavidad interna, las cargas eléctricas se reorganizan rápidamente en la superficie externa del conductor, con el fin de anular el campo eléctrico en todos los puntos internos.

Los conductores huecos se emplean para proteger artefactos de los afectos eléctricos; para ello, se encierran dentro de una cubierta metálica, de  modo que se produce un blindaje electrostático, este fenómeno se puede comprobar por medio de la jaula de faraday.

  EL GENERADOR DE VAN DER GRAFF

El generador es una maquina electrostática creada por el físico norteamericano Robert Van der Graff en 1930, esta máquina consiste en una banda de caucho que pasa por 2 poleas, una de las cuales se encuentra impulsada por un motor que le imprime rotación. Al moverse, la banda de caucho es electrizada por un conjunto de agujas metálicas parecidas a las de un cepillo, las cuales mantienen un potencial negativo con relación a la tierra. El generador de Van der Graff es empleado para acelerar partículas subatómicas en los laboratorios de investigación.

CAMPO ELÉCTRICO III

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO

Toda carga (llamada fuente) da lugar a fuerzas sobre cargas ubicadas en su proximidad. Es válido suponer que el espacio que rodea a cualquier carga fuente se caracteriza por el hecho de que cualquier carga puesta próxima a ella estará sometida a una fuerza eléctrica. Para determinar un campo eléctrico se utiliza una magnitud física denominada intensidad del campo eléctrico.

‘’la intensidad del campo eléctrico (E) en un punto dado es el cociente entre la fuerza (F) que el campo ejerce sobre una carga de prueba situada en ese punto y el valor (q) de dicha carga’’.

 La unidad del campo eléctrico en el S.I. es el newton por el culombio (N/C)

Como la fuerza es un vector, el campo eléctrico también lo es. El valor del vector campo eléctrico es igual a la fuerza que en dicho punto experimenta una carga eléctrica positiva.

CAMPO ELÉCTRICO II

LAS LINEAS DE FUERZA

Las líneas de fuerza son las líneas que utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico, las cuales son tangentes, en cada punto, a la intensidad del campo.

Un campo electrostático se puede apreciar el valor de su intensidad en una zona o un punto determinado por la intensidad de líneas, en las zonas de mayor intensidad, la densidad de líneas es mayor (las líneas están más juntas) que en las zonas de menor intensidad (las líneas están más separadas)

Las líneas de fuerza de un campo eléctrico se pueden materializar, al producir campos eléctricos intensos.

  Una importante característica de las líneas de fuerza, que consiste en que ninguna de estas líneas podrá cruzarse, ya que en cada punto existe una única dirección para el campo eléctrico y, en consecuencias, por cada punto pasa una única línea de fuerza.

CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICO

CAMPO ELÉCTRICO

Se sabe que la fuerza eléctrica es una fuerza a distancia y que los objetos cargados se consideran como cargas puntuales, cuya norma está determinada por la ley de coulomb. Lo anterior se ha presentado bajo un punto de vista newtoniano.

Cuando se habla de campo, pasamos a otra forma de concebir   el fenómeno eléctrico. En presencia de una carga, el espacio se enrarece o cambia, de tal manera que si colocamos pequeñas cargas siguen una dirección determinada, Esta deformación o alteración del espacio se denomina campo eléctrico.

·       A mayor carga mayor es la deformación o alteración del espacio que rodea el objeto eléctricamente cargado.

  Michael faraday fue quien introdujo el termino de campo eléctrico para referirse a la influencia que ejerce un objeto cargado eléctricamente sobre un espacio que lo rodea.è     

ELECTRICIDAD III

CARGAS POR CONTACTO Y CARGAS POR INDUCCION

·                   Carga  por contacto: al poner en contacto un cuerpo electrizado con otro sin carga eléctrica, se produce un paso de electrones entre el primer cuerpo y el segundo, produciéndose la electrización de este ultimo.

    

·                   Carga por inducción: al aproximar un cuerpo cargado a otro cuerpo, preferiblemente conductor, que no está cargado, este cuerpo se polariza, es decir, una de sus partes se carga positivamente y la otra, negativamente. El fenómeno se debe a que el cuerpo cargado atrae las cargas de distintos signo y repele a las del mismo signo.

                      POLARIZACIÓN DE LAS CARGAS

Cuando un cuerpo neutro reorganiza sus  cargas por acción o por influencia de un cuerpo cargado, se dice que el cuerpo esta polarizado.

Al acercar un objeto electrizado (por ejemplo una carga positiva) al material aislante, la carga de este actúa sobre las moléculas del aislante haciendo que se oriente y se ordenen de tal forma que sus cargas negativas se ubiquen lo más cerca posible del objeto cargado positivamente. El efecto de este proceso se denomina polarización.

ELECTRICIDAD II

CARGAS ELÉCTRICAS

El norteamericano Benjamín Franklin sugirió la existencia de un único tipo de carga o fluido eléctrico, propuso que las fuerzas ejercidas entre cuerpos electrizados eran acciones a distancia, una de atracción y otras de repulsión, cuya ocurrencia dependía del tipo de electrización de dichos cuerpos un átomo en conjunto no posee carga eléctrica neta y se dice que es eléctricamente neutro.

 Los cuerpos que tienen carga eléctrica de mismo signo se repelen y los cuerpos que tiene carga eléctrica de diferentes signos se atraen esto se debe a la transferencia y la interacción entre las cargas.

      

Se puede observar que entre las cargas eléctricas surgen fuerzas de atracción o de repulsión y el que surja una u otra clase de fuerza se debe a la característica propia (positiva o negativa) de las cargas que interactúan.

CONSERVACION DE CARGAS

Cuando la fuerza eléctrica que mantiene unidos los electrones al núcleo disminuye la distancia entre estos y el núcleo aumenta, por lo tanto aquellos electrones que se encuentra débilmente unidos a los átomos, en algunos materiales pueden ser liberados o transferidos a otros cuerpos.

La carga mínima o carga elemental es la carga del electrón representada por la letra ‘’e’’ cualquier otra carga eléctrica ya sea positiva o negativa será igual a la carga de un numero entero de electrones. Como la unidad de carga en el S.I.  Es el culombio “C” su equivalencia con la carga del electrón es:

 1 C = 6,25 x  10¹⁸ e

 1 e =  1 /  6,25 x  10¹⁸  = 1,6 x 10^-19C

CONDUCTORES Y AISLANTES

Existen medios materiales en las que los que las cargas eléctricas no se trasmiten, estas sustancias son denominadas aislantes o dielécticos. Hay materiales en los que las cargas eléctricas se transmiten con facilidad, En este caso se dice que los medios son conductores. En algunos elementos como el silicio o el germanio presentan una oposición  intermedia entre los aislantes y los conductores, a estos elementos se le denomina semiconductores.

Los semiconductores se utilizan en la construcción de transistores y son de gran importancia en la electrónica.

ELECTRICIDAD I

LA ELECTRIZACION

Es el poder de atracción que adquieren los objetos después de ser frotados  un ejemplo de esto es: cuando nos peinamos el cabello se levanta como si existiera una atracción hacia él.

Los cuerpos están formados por entidades llamadas átomos, los cuales tienen cargas positivas (protones), cargas negativas (electrones), y otras partículas cuyas carga es neutra (neutrones).

Se puede observar que:

·                   Si un cuerpo tiene carga negativa es porque ha ganado electrones de otros cuerpos y por tanto poseen más  electrones que protones

·                   Si un cuerpo tiene carga positiva es porque ha cedido electrones a otros cuerpos y por tanto poseen menos electrones que protones.

IMANES

"LA PIEDRA AMANTE"

Este nombre tan poético fue el que los chinos le dieron al imán natural o piedra imán. La piedra amante (tshu-shi) - dicen los chinos -, atrae al hierro, lo mismo que una madre amorosa atrae a sus hijos. Es interesante que los franceses, que habitan el extremo opuesto del Viejo Mundo, le dieran al imán un nombre semejante, porque en francés la palabra "aimant" significa "imán" y "amante".

Figura 1. La llama de una vela entre los polos de un electroimán.

La fuerza de este amor de los imanes naturales es muy pequeña y por eso parece ingenuo que los griegos llamaran a la piedra imán "piedra de Hércules". Si los habitantes de la antigua Hellas se asombraban tanto de la modesta atracción del imán natural, ¿qué dirían ahora si viesen los imanes que en las fábricas metalúrgicas modernas levantan bloques que pesan toneladas enteras? Es verdad que éstos no son imanes naturales, sino "electroimanes", es decir, masas de hierro imanadas por la corriente eléctrica que pasa por un devanado que las rodea. Pero en ambos casos la naturaleza de la fuerza que actúa es la misma, el magnetismo.

No se debe creer que el imán influya solamente sobre el hierro. Existe toda una serie de cuerpos no ferrosos que también experimentan la acción de los imanes potentes, aunque en menor grado que el hierro. Los metales como el níquel, cobalto, manganeso, platino, oro, plata y aluminio son atraídos débilmente por el imán. Aún es más interesante la propiedad que tienen los cuerpos llamados diamagnéticos, por ejemplo, el zinc, el plomo, el azufre y el bismuto. Estos cuerpos son repelidos por los imanes potentes.

Los gases y los líquidos también son atraídos o repelidos por el imán, aunque muy débilmente. El imán tiene que ser muy potente para que pueda ejercer influencia sobre estas sustancias. El oxígeno puro, por ejemplo, es atraído por el imán. Si una pompa de jabón se llena de oxígeno y se coloca entre los polos de un electroimán potente, se nota como la pompa se alarga de un polo a otro estirada por las invisibles fuerzas magnéticas. La llama de una vela colocada entre los extremos de un imán potente cambia de forma, con lo cual pone de manifiesto su sensibilidad para con las fuerzas magnéticas (Figura 1).

VIDEO CAMPO ELECTRICO

VIDEO CARGA ELECTRICA

FENÓMENOS ELÉCTRICOS

 

CHISPAS CELESTIALES

Obviamente, uno de los tipos de corriente más peligrosos es el rayo, que es también uno de los fenómenos eléctricos más extraordinarios. Es a la vez potente, no del todo predecible, muy poco comprendido y enigmático. En la mitología, de los griegos a los mayas, los rayos han sido símbolos o armas de las divinidades, cosa que no nos sorprende. De media, cada año en la Tierra hay unos 16 millones de tormentas eléctricas, más de 43.000 al día, unas 1.800 cada hora, que producen unos 100 rayos por segundo, es decir, más de 8 millones al día, en todo el planeta.

El rayo se produce cuando las nubes de tormenta se cargan eléctricamente. Normalmente, la parte superior de la nube se carga positivamente y la parte inferior acumula carga negativa. No se sabe del todo por qué es así. Aunque no lo creas, aún nos queda mucho por aprender sobre la física de la atmósfera. De momento, simplificaremos la situación e imaginaremos una nube cuya carga negativa está en la parte más cercana a la Tierra. Debido a la inducción, el suelo más cercano a la nube acumulará carga positiva, generando un campo eléctrico entre la Tierra y la nube.

La física de un rayo es bastante complicada, pero en resumen un rayo (una ruptura dieléctrica) sucede cuando la diferencia de potencial eléctrico entre la nube y la Tierra alcanza las decenas de millones de voltios. Y, aunque parece que el rayo sale de la nube hacia la Tierra, en realidad sale tanto desde la nube como desde la Tierra. Las corrientes eléctricas durante un rayo medio son de unos 50.000 amperios (aunque pueden alcanzar unos pocos cientos de miles de amperios). La potencia máxima durante un rayo medio es de un billón de vatios. Sin embargo, esto solo dura unas pocas decenas de microsegundos. Por tanto, la energía total que se libera en un rayo rara vez supera unos pocos centenares de millones de julios, lo que equivale a la energía que una bombilla de 100 vatios consume en un mes. Aprovechar la energía de los rayos, por tanto, no solo es poco viable, sino que tampoco es demasiado útil.

Casi todos sabemos que podemos deducir a qué distancia ha caído un rayo por el tiempo que transcurre entre cuando lo vemos y cuando oímos el trueno. Pero el motivo por el que esto es así nos permite vislumbrar las poderosas fuerzas que intervienen en este fenómeno. No tiene nada que ver con la explicación que una vez le escuché a un alumno: que el rayo provoca algún tipo de área de baja presión y que el trueno se produce cuando el aire que va a rellenar la brecha choca con el aire del otro lado. De hecho, es casi completamente al revés. La energía del rayo calienta el aire hasta unos 20.000 grados Celsius, más de tres veces la temperatura en la superficie del Sol. Este aire supercaliente crea una potente onda de presión que golpea el aire más frío que hay a su alrededor, provocando ondas sonoras que viajan por el aire. Como las ondas sonoras recorren algo más de un kilómetro en tres segundos, contando los segundos puedes deducir fácilmente a qué distancia ha caído el rayo.

CARGAS ELÉCTRICAS

MÁS DE INDUCCIÓN

Hincha un globo, haz un nudo en el extremo para que no se desinfle y átalo a una cuerda. Busca un sitio en tu casa donde puedas colgar el globo sin problemas. De una lámpara de techo, quizá. O puedes atar un peso a la cuerda y dejar que el globo cuelgue de la mesa de la cocina, entre 15 y 30 centímetros. Carga el peine de nuevo frotándolo con fuerza contra la seda o tu pelo (recuerda, más fricción produce una mayor carga).
 Acerca muy despacio el peine al globo. ¿Qué crees que va a pasar? 

Pruébalo. Es bastante raro también, ¿verdad? El globo se mueve hacia el peine. Igual que con el papel, el peine ha provocado algún tipo de separación de carga en el globo (¡inducción!). ¿Qué pasará cuando alejes el peine? ¿Por qué? Sabes por intuición que el globo volverá a su posición vertical. Pero ahora ya sabes por qué, ¿no? Cuando desaparece la influencia externa, ya no hay ninguna razón para que los electrones se alejen de sus respectivos átomos. ¡Fíjate en lo que hemos sido capaces de deducir simplemente frotando un peine un poco y jugando con unos pedacitos de papel y un globo!

Hincha varios globos más. ¿Qué pasa cuando frotas uno de ellos con fuerza contra tu pelo? Eso es: tu pelo empieza a hacer cosas raras. ¿Por qué? Porque en la serie triboeléctrica el pelo humano está cerca del extremo positivo y un globo de goma está en plena zona negativa. Dicho de otro modo, la goma atrapa muchos de los electrones de tu pelo, dejándolo con carga positiva. Como cargas iguales se repelen, ¿qué puede hacer tu pelo cuando cada cabello tiene carga positiva y quiere apartarse de todos los demás con la misma carga? Tus cabellos se están repeliendo entre sí, lo que hace que se pongan de punta. Por supuesto, esto mismo sucede al quitarte un gorro de punto en invierno. Al frotarse con tu pelo, el gorro arranca muchos electrones, dejando tus cabellos cargados positivamente y deseando ponerse de punta.

Volvamos a los globos. Has frotado uno con fuerza contra tu pelo (saldría todavía mejor si lo hicieses contra una camisa de poliéster). Creo que ya sabes lo que te voy a proponer, ¿verdad? Pon el globo contra la pared o en la camisa de tu amigo. Se queda pegado. ¿Por qué? Esta es la razón: cuando frotas el globo, lo cargas; cuando lo pones contra la pared, que no es un gran conductor, los electrones que orbitan alrededor de los átomos de la pared sienten la fuerza repulsiva de la carga negativa del globo y pasan un pelín más de tiempo en la parte del átomo más alejada del globo y un poco menos en la parte más cercana a él. ¡Eso es inducción!

En otras palabras, la superficie de la pared justo donde la toca el globo adquiere una cierta carga positiva y el globo, cargado negativamente, se verá atraído hacia ella. Este resultado es muy sorprendente. ¿Por qué no se produce una transferencia de cargas, se neutralizan las dos —positiva y negativa—, haciendo que el globo se caiga de inmediato? Es una muy buena pregunta. Por un lado, el globo de goma ha acumulado unos cuantos electrones de más. En un aislante, como la goma, no se mueven de un lado a otro con facilidad, así que las cargas tienden a quedarse en su sitio. Además, no estás frotando el globo contra la pared, lo que generaría muchos puntos de contacto, sino que simplemente está ahí, sintiendo la atracción. Pero el rozamiento también lo mantiene ahí.

La inducción funciona con todo tipo de objetos, conductores o aislantes. Puedes hacer el experimento del peine con uno de esos globos metalizados rellenos de helio que puedes comprar en los supermercados o en los bazares. Si acercas el peine al globo, sus electrones libres tienden a alejarse del peine, cargado negativamente, quedando junto al peine iones con carga positiva, que atraen el globo hacia él.

Aunque podemos cargar los globos frotándolos contra el pelo o la camisa, la goma es en realidad un aislante casi perfecto (por eso se utiliza para recubrir los cables eléctricos). La goma impide que la carga se escape de los cables hacia la humedad del aire o hacia algún objeto cercano, produciendo chispas. Evidentemente, nadie desea que salten chispas en entornos inflamables, como las paredes de su casa. La goma puede protegernos de la electricidad continuamente, y de hecho lo hace. Lo que no puede hacer, sin embargo, es protegernos de la forma más potente de energía estática que se conoce: el rayo. Por algún motivo, la gente sigue repitiendo la leyenda de que unas zapatillas o unos neumáticos de goma pueden protegernos de un rayo. No sé por qué estas ideas siguen circulando, ¡pero lo mejor es que las olvides inmediatamente! Un rayo tiene tanta potencia que no se detiene en absoluto por un trozo de goma. Puede que estés a salvo si el rayo cae en tu coche —aunque tal vez tampoco—, pero no tiene nada que ver con los neumáticos.

PROPIEDADES ELÉCTRICAS 11º

LA INDUCCIÓN INVISIBLE

Reúne todo el material y prepárate para experimentar algunas de las maravillas de la electricidad. Primero carga el peine frotándolo con fuerza contra tu pelo, que tiene que estar muy seco, o contra el trozo de seda. De las series triboeléctricas sabemos que el peine acumulará carga negativa. Párate un momento a pensar qué pasará cuando acerques el peine a los pedacitos de papel y por qué. Entendería perfectamente que dijeses no pasará nada.

Pon el peine a unos pocos centímetros del pequeño montón de pedazos de papel. Baja el peine poco a poco y mira lo que pasa. Asombroso, ¿no? Vuelve a hacerlo; no es casualidad. Algunos de los pedazos de papel saltan hasta el peine, algunos permanecen pegados a él durante un momento y luego vuelven a caer, y otros se quedan ahí. De hecho, si juegas un poco con el peine y el papel, puedes hacer que los pedazos se mantengan erguidos e incluso bailen sobre la superficie. ¿qué demonios está pasando? ¿por qué algunos de los pedazos de papel se quedan pegados al peine, mientras que otros saltan, lo rozan y vuelven a caer?

Son muy buenas preguntas, con respuestas estupendas. Esto es lo que pasa: la carga negativa del peine repele los electrones en los átomos del papel, de forma que, aunque no están libres, pasan un poco más de tiempo en los átomos más alejados del peine; al hacerlo, los átomos más cercanos al peine tienen un poco más de carga positiva que antes, por tanto el filo o la parte del papel con propensión al positivo son atraídos hacia la carga negativa del peine y el papel, que es muy ligero, salta hacia él. ¿por qué vence la fuerza de atracción a la fuerza repulsiva entre la carga negativa del peine y los electrones del papel? Porque la fuerza de la repulsión —y la de atracción— eléctrica es proporcional a la magnitud de las cargas, pero inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. Es lo que se llama ley de coulomb, en honor del físico francés charles-augustin de coulomb, que hizo este importante descubrimiento. Imagino que te llamará la atención su asombroso parecido con la ley de la gravitación universal de newton. Fíjate en que también llamamos culombio a la unidad fundamental de carga: la unidad positiva de carga es +1 culombio (unos 6 × 10^18 protones) y la de carga negativa es –1 culombio (unos 6 × 10^18 electrones).

La ley de coulomb nos dice que incluso una pequeña diferencia en la distancia entre las cargas positivas y las negativas puede tener un efecto importante. O, dicho de otro modo, la fuerza atractiva de las cargas más cercanas domina sobre la fuerza repulsiva de las cargas más alejadas.

Todo este proceso se llama inducción, ya que lo que hacemos cuando acercamos un objeto cargado a uno neutro es inducir carga en extremos del objeto neutro, creando una especie de polarización de carga en los pedazos de papel. También es interesante la razón por la que algunos pedacitos de papel caen de nuevo mientras que otros se quedan pegados. Cuando un pedazo de papel toca el peine, parte del exceso de electrones del peine pasa al papel. Cuando eso sucede, quizá aún exista una fuerza eléctrica atractiva entre el peine y el pedazo de papel, pero puede que ya no sea suficiente para contrarrestar la fuerza de la gravedad y, por tanto, el pedazo de papel caerá. Si se transfiere mucha carga, la fuerza eléctrica puede incluso acabar siendo repulsiva, en cuyo caso tanto la fuerza gravitatoria como la eléctrica acelerarán el pedazo de papel hacia abajo.

REFRACCIÓN DE LA LUZ

¿Por qué y cómo se refracta la luz?

Eso de que un rayo de luz cambie de dirección cuando pasa de un elemento a otro, les parece a muchos un extraño capricho de la naturaleza. Resulta incomprensible, por qué la luz, en vez de conservar su dirección inicial en el nuevo medio, elige un camino quebrado. Los que piensan así se alegrarán seguramente de saber, que la luz hace, en este caso, lo mismo que una columna militar al pasar el límite entre un terreno fácil de andar y otro difícil. He aquí lo que dice sobre esto el célebre astrónomo y físico del siglo pasado John Herschel.

“Figurémonos un destacamento militar marchando, en formación, por un terreno que una línea recta divide en dos zonas, una de ellas llana, lisa y cómoda para andar, y otra terrosa y accidentada de tal forma, que por ella no se puede avanzar tan de prisa como por la primera. Supongamos, además, que el frente del destacamento forma un ángulo con la línea divisoria entre las dos zonas, y que, por consiguiente, los soldados que forman dicho frente no llegan a ella al mismo tiempo, sino sucesivamente. En estas condiciones, cada soldado, al pasar la demarcación notará que se encuentra en un terreno por el cual no puede avanzar tan rápidamente como antes.

Figura 1. Experimento para explicar la refracción de la luz.

Ya no podrá guardar línea con los demás soldados de su fila, que se encuentran aún en el terreno mejor, y empezará a retrasarse cada vez más con respecto a ellos. Como quiera que así le irá ocurriendo a cada soldado que pase por la línea divisoria, al notar las mismas dificultades para la marcha, si no se rompe la formación, toda la parte de la columna que haya pasado la demarcación se irá retrasando de la restante y formando con ella un ángulo obtuso, en el punto de transición de la línea de demarcación. Y como la necesidad de marcar el paso, sin estorbarse unos a otros, hace que cada soldado marche de frente, es decir, formando un ángulo recto con el nuevo frente de la columna, tendremos, que el camino que cada cual sigue después de pasar la línea será, en primer lugar, perpendicular al nuevo frente, y en segundo, guardará una relación con el camino que habría recorrido, de no haberse retrasado, igual a la que existe entre la nueva velocidad y la anterior”.

De una forma más reducida, nosotros podemos repetir esta representación gráfica de la refracción de la luz, en nuestra propia mesa. Para ello, una mitad de esta mesa se cubre con un mantel (fig. 1) y, después de inclinarla un poco, se hace que ruede por ella un par de ruedecitas fijas en un eje común (pueden servir las de cualquier juguete roto). Si la dirección en que se mueve este par de ruedas y la del borde del mantel forma entre sí un ángulo recto, el camino no se tuerce. En este caso tenemos una ilustración de la regla óptica que dice: Todo rayo de luz, perpendicular al plano de separación de dos medios diferentes, no se refracta. Pero si la dirección del movimiento de las ruedecitas está inclinada con respecto al borde del mantel, el camino que siguen aquéllas se tuerce al llegar a dicho borde, es decir, en la divisoria entre los dos medios que determinan la diferencia en la velocidad de las ruedecitas. No es difícil darse cuenta de que, al pasar de la parte de la mesa en que la velocidad del movimiento es mayor (la desprovista de mantel), a la parte en que dicha velocidad es menor (la cubierta por el mantel), la dirección del camino (del “rayo”) tiende a aproximarse a la “perpendicular de incidencia”. En el caso contrario, se observa una tendencia a separarse de dicha perpendicular.

De esto puede sacarse una enseñanza de gran importancia, que revela la esencia del fenómeno que examinamos y que consiste en que, la refracción está condicionada por la diferencia de velocidades de la luz en ambos medios. Cuanto mayor sea esta diferencia de velocidades, tanto mayor será la refracción; es decir, que el denominado “índice de refracción”, que caracteriza la magnitud de la desviación que sufren los rayos, no es otra cosa, que la relación entre estas velocidades. Cuando leemos, que el índice de refracción para el paso del aire al agua es de 4/3, nos enteramos al mismo tiempo de que, la luz se transmite en el aire 1,3 veces más de prisa que en el agua.

Esta propiedad está relacionada con otra peculiaridad de la refracción de la luz, que consiste en que: de la misma manera que el rayo de luz sigue al reflejarse el camino más corto, al refractarse elige el camino más rápido, es decir, que no hay ninguna otra dirección que conduzca más rápidamente el rayo de luz a su “punto de destino”, que esta línea quebrada.