EL INGENIO DE
TALES
“El espacio es la más grande de todas las cosas, porque contiene todo lo que ha sido creado”.Tales de Mileto
Desde
los comienzos del universo existe la electricidad. Incluso cuando aún no había
vida en nuestro planeta, hace más de 4000 millones de años, grandes rayos
iluminaban el cielo. El rayo es una de las demostraciones más impresionantes de
la forma de energía que llamamos electricidad. A medida que la vida evolucionó,
la electricidad se convirtió en parte esencial del mundo viviente. Es la base
de todo impulso nervioso. Por ejemplo, el ojo recibe un rayo de luz y lo
transforma en diminutas señales eléctricas que pasan a través de los nervios
hacia el cerebro. Toda nuestra conciencia y habilidad para pensar y movernos
depende de esas diminutas señales eléctricas en los conductos nerviosos del
cerebro. En los tres últimos siglos los científicos han empezado a desentrañar
gradualmente los misterios de la electricidad. Sus adelantos iban a menudo
unidos al progreso en otras áreas de la ciencia. Después de la investigación
científica vino la explotación de la electricidad. Los inventores convirtieron
la energía eléctrica en nuestra servidora.
Algunos
de los más antiguos experimentos conocidos fueron llevados a cabo por hombres
como Tales de Mileto, en la Grecia Antigua. Comprobó que si un trozo de ámbar
(resina de los árboles, fosilizada y solidificada) se frota bruscamente con una
pieza de lana o piel y se aproxima a un objeto ligero como puede ser una pluma,
ésta vuela y se adhiere al ámbar. La palabra «electricidad» viene de elektron, término griego para ámbar.
Tales de
Mileto (625-547 a.C) fue uno de los “Siete Hombres Sabios” por sus
contribuciones en la matemática, geometría, estadística, filosofía y
astronomía. Ninguno de sus manuscritos perduró, pero referencias a su trabajo
muestran que probablemente llevó a cabo sencillos experimentos sobre los
efectos de lo que ahora llamamos electricidad y magnetismo. Tales fue mercader
en su juventud, y tuvo mucho éxito como hombre de negocios. Se cuenta que una
vez estuvo encargado de unas mulas cargadas con sacos de sal; en su camino, al
cruzar el río, una mula resbaló; la sal se disolvió y su carga se aligeró. El
animal entonces se sumergía mañosamente cada vez que tenía que cruzar un río.
Tales encontró la solución para darle una lección a la mula: la cargó con un
saco de esponjas. Por otro lado, Tales estuvo dirigiendo obras hidráulicas y se
dice que desvió el curso del río Halis mediante la construcción de diques.
Como
astrónomo fue más célebre, lo espectacular fue la predicción del eclipse solar
que detuvo la batalla entre Alyattes y Cyaxares el 28 de mayo del año 585 a. de
C. Expertos modernos en la materia están convencidos de que Tales carecía del
conocimiento para predecir con precisión la localidad donde el eclipse se podía
observar o el carácter del mismo y sus estimaciones debieron ser aproximadas.
El estudioso griego Calímaco registra que Tales descubrió la constelación de la
Osa Menor y recomendó a los navegantes guiarse por ella en lugar de la Osa
Mayor. Fue el primero en comparar la magnitud del sol con la de la luna y
encontró que ésta era 700 veces menor que el sol. También se cree que conoció
el recorrido del sol de un trópico a otro. Además, explicó los eclipses de sol
y de luna y delimitó las estaciones del año y asignó a éste 365 días. Sus
resultados astronómicos sustituyen lo que era poco más que una elaboración de
catálogos de estrellas por una ciencia auténtica.
Gómez,
J. (2002). Tales de Mileto. Apuntes
de historia de las matemáticas. Vol.1,
No.1, Enero 2002. Disponible en: http://euler.mat.uson.mx/depto/publicaciones/apuntes/pdf/1-1-2-tales.pdf
En
tiempos pasados, algunas personas mostraban la atracción de los objetos
cargados eléctricamente, a pesar de no entender su naturaleza. Los magos
también utilizaban los poderes atractivos del magnetismo y de la electricidad
estática en sus representaciones.
En
el mundo animal un activo músculo produce pequeños pulsos eléctricos. Distintas
especies se han aprovechado de ello para cazar y matar. La raya eléctrica (o
pez torpedo) ha modificado bloques musculares en ambos lados de su cabeza.
Estas gelatinosas «pilas vivientes» generan ondas de choque a través del agua
para aturdir o matar a sus víctimas cercanas. Un tiburón corriente tiene 1000
sensores eléctricos en su piel, fundamentalmente entorno a la cabeza, que
detectan pequeños pulsos eléctricos de los músculos activos de los peces. En
completa oscuridad, un tiburón puede llegar a su presa con precisión infalible,
utilizando sus sensores eléctricos de navegación.
La
vida humana depende de la electricidad. Cada segundo pequeñas señales
eléctricas se esparcen por el músculo cardiaco, produciendo y coordinando un
latido. Estas señales mandan «ecos» a través de los tejidos hacia la piel. Allí
pueden ser detectados por sensores metálicos y representados en una gráfica
llamada electrocardiograma.
En
los primeros tiempos de la experimentación con la electricidad, los científicos
no disponían de pilas para producirla. Por eso la producían ellos mismos por
frotamiento de ciertos materiales. En torno al 1600 William Gilbert manifestó
que se producían dos tipos de electricidad dependiendo de los materiales
frotados, aunque él mismo no sabía por qué ocurría así. El cristal frotado con
seda producía electricidad vítrea, y el ámbar frotado con piel, electricidad
resinosa. Sus experimentos mostraron cómo objetos conteniendo el mismo tipo de
electricidad se repelían, mientras que aquellos con distinta clase se atraían. Benjamin
Franklin también creía en la existencia de dos tipos de electricidad. Propuso
la idea de que la carga eléctrica era como un fluido esparciéndose por un
objeto y que podía saltar a otro objeto, causando una chispa.
William
Gilbert (1544-1603) fue médico de la reina Isabel de Inglaterra. En 1600
escribió sobre las fuerzas misteriosas del magnetismo y la electricidad en su
libro: De magnete (Sobre el imán).
Gilbert fue la primera persona en utilizar la palabra “eléctrico” y
probablemente inventó el primer instrumento eléctrico, el Versorium. Objetos
como el papel y la paja, los cuales adquirían carga eléctrica al ser frotados,
hacían que el indicador del versorium se desplazara hacia ellos. Él denominó a
estas sustancias atractivas, «eléctricas». Aquellas que no atraían el indicador
eran «no eléctricas».
Durante
el siglo XVIII muchos científicos experimentaron con la carga eléctrica en sus
laboratorios. Lo que interesaba a los científicos era la búsqueda de
conocimientos, y que por entonces no había usos prácticos de la electricidad.
Observaron cómo la carga eléctrica puede ser vista en forma de chispas, y cómo
se comportaba de diferente manera según las sustancias. Dado que la
electricidad era invisible, se necesitaban instrumentos para detectarla y
medirla. No había forma de mantener un flujo de carga eléctrica; esto vendría
más tarde con las pilas, por lo que inicialmente el progreso era producto de la
casualidad. Descubrimientos sorprendentes por entonces se dan hoy por
supuestos. En la década de 1720, por ejemplo, el científico inglés Stephen Gray
(1666-1736) sugirió que «cualquier objeto que tocara un cuerpo electrificado
(cargado) se electrificaría». Ahora estamos familiarizados con el proceso de
transferencia de carga de una sustancia a otra.
Electricidad
Estática
La electricidad estática o
«electrostática» es la parte de la física que tiene por objeto el estudio de
las propiedades y acciones de las cargas eléctricas en reposo.
Existen cuatro modelos atómicos
fundamentales que explican la estructura de la materia. Los modelos atómicos de
J. Dalton, J. J. Thomson, E. Rutherford y N.
Bohr evolucionaron en rápida sucesión para facilitar la comprensión de los fenómenos
físicos y químicos.
El modelo atómico de Bohr establece la existencia de tres
partículas subatómicas llamadas electrones, protones y neutrones. Hoy en día se
conoce que los protones y neutrones son partículas compuestas por quarks. La
cohesión del átomo requiere otras partículas bosónicas como los piones, gluones
o fotones. Los protones se mantienen unidos a los neutrones gracias a los
piones, que son mesones compuestos formados por parejas de quarks y antiquarks.
También se conocen otras partículas elementales como los neutrinos y bosones W
y Z.
Atracción
y Repulsión
La carga eléctrica es una magnitud
física que nos indica la cantidad de electricidad positiva o negativa que posee
un cuerpo. La unidad de la carga eléctrica en Sistema Internacional de unidades
(S.I.) se denomina coulomb o culombio (C). La transferencia y la
interacción entre las cargas producen fenómenos eléctricos donde se manifiestan
dos fuerzas diferentes: la fuerza de atracción y la fuerza de repulsión.
Todas las cargas eléctricas tienen
un valor cuantificable y la carga mínima o elemental es equivalente a la carga
del electrón (e). Cualquier carga
eléctrica será igual a la carga de un número determinado de electrones, medido
en culombios.
Conductores,
aisladores, Semiconductores y Superconductores
De acuerdo a las observaciones de
muchos científicos que realizaron investigaciones sobre la electricidad, los
materiales son clasificados actualmente en cuatro categorías.
Conductores
Son aquellos materiales en los que
la corriente fluye con relativa facilidad. Metales como la plata, cobre, oro y
aluminio cuentan como los mejores conductores.
Aisladores
Materiales que no conducen la
corriente. Ejemplo: la cerámica, madera, plástico, goma, vidrio, aire y mayoría
de los gases, entre otros.
Semiconductores
El sicilio o el germanio son algunos
materiales que presentan una oposición intermedia entre los aisladores y
conductores, pero distinta. Se utilizan para construir dispositivos como
diodos, leds y transistores.
Superconductores
Materiales que al ser enfriados bajo
una temperatura crítica (grados Kelvin) se convierten en conductores perfectos.
Son usados para generar campos magnéticos muy grandes, en aplicaciones como
máquinas médicas de resonancia magnética, motores y trenes de levitación
magnética.
Formas
de Cargar un Cuerpo
Por
frotación
Cuando
se frotan dos cuerpos de distinta naturaleza se produce una transferencia de
electrones desde uno de los cuerpos hasta el otro. El que perdió los electrones
quedó cargado positivamente y el que los ganó quedó cargado negativamente.
Por contacto
Cuando
un cuerpo cargado toca a otro que no está cargado, los electrones en exceso en
el primer cuerpo pasan al segundo cuerpo, quedando éste cargado negativamente.
En caso de que el primer cuerpo esté cargado positivamente y el segundo cuerpo
en estado neutro, algunos electrones del segundo cuerpo son atraídos hacia el
primero para compensar el déficit de éste; quedando así con carga positiva.
Por
inducción
Cuando
se acerca un cuerpo cargado negativamente a un cuerpo en estado neutro, los
electrones de éste se alejan del primero cuerpo, quedando con carga positiva la
parte más próxima a él. Si se conecta el
segundo cuerpo con la tierra, los electrones del segundo cuerpo escapan,
quedando cargado positivamente. En este caso el primer cuerpo es el inductor y
el segundo el inducido.
Por efecto
termoiónico
Es
la ionización producida por calor. A altas temperaturas, los electrones que
vibran cada vez más fuertemente se pueden escapar del cuerpo; éste quedará por
tanto positivo. Este efecto es la base de electrónica de válvulas.
Por efecto fotoeléctrico
Es
la ionización producida por la luz. Esta, golpeando una superficie de un metal
alcalino, puede provocar la emisión de electrones, quedando con carga positiva.
Este efecto es usado en los ascensores y en las puertas automáticas.
Por efecto
piezoeléctrico
Si
se comprimen ciertos cristales, cuarzo por ejemplo, cortado de cierta manera,
aparecen, debido a la disposición de sus átomos, cargas positivas y negativas
sobre sus caras. Los signos de las cargas cambian si en lugar de comprimir se
trata de dilatar el cristal. Inversamente, si se depositan cargas opuestas
sobre las caras del cristal, éste se contraerá o dilatará. Este efecto se
utiliza mucho en la grabación y reproducción de sonido.
Phet Simulations
La
ley de la fuerza Eléctrica
En
la década de 1780, el físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806)
fue uno de los primeros científicos en medir el comportamiento de la carga
eléctrica. Lo consiguió observando las fuerzas atractivas o repulsivas que
ejercían mediante el desvío que producían en un hilo o cable. Adaptó la balanza
de torsión, que era utilizada para medir el peso de objetos ligeros. En ella el
peso del objeto actuaba como fuerza de torsión y el desvío producido era
proporcional a ese peso. En el instrumento de Coulomb la fuerza de torsión
provenía de la repulsión de una esfera fija actuando sobre una móvil. Tras
muchos experimentos, Coulomb propuso de ley del inverso del cuadrado de las
distancias: la fuerza de atracción o repulsión entre dos objetos cambia según
la razón de los cuadrados de sus distancias.
Las mediciones de Coulomb,
permitieron determinar que:
La fuerza de interacción entre dos cargas q1
y q2 aumenta su magnitud si alguna de ellas aumenta su valor, por lo
que la fuerza es proporcional al producto de las cargas.
Si la distancia que separa las carga r
aumenta, la fuerza de interacción disminuye, por lo que son magnitudes
inversamente proporcionales.
Esta ley
presenta la condición de ser estrictamente estacionaria, sus cálculos son
efectivos si se trata de cargas eléctricas en reposo o como aproximación cuando
el movimiento de las cargas se realiza en velocidades bajas y en trayectorias
rectilíneas uniformes.
La unidad de
carga eléctrica en el sistema c.g.s., es el culombio estático (statcoulomb o
stc), es la carga eléctrica que atrae o repele a otra carga igual a ella,
situada a la distancia de un centímetro en el vacío, con la fuerza de una dina.
En el sistema M.K.S., la unidad de carga eléctrica es el culombio y se define
como la carga eléctrica que atrae o repele a otra carga igual a ella situada a
la distancia de un metro en el vacío, con la fuerza de
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