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.