Electricidad y Electronica - Agustin Rela

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Colecc iCo lecc in : LAS C I ENC IAS NATURALES Y LA MATEMn: LAS C I ENC IAS NATURALES Y LA MATEMT ICATICA

Distribucin de carcter gratuito.

ADVERTENCIALa habilitacin de las direcciones electrnicas y dominios de la web asociados, citados en este libro, debe ser consideradavigente para su acceso, a la fecha de edicin de la presente publicacin. Los eventuales cambios, en razn de la caduci-dad, transferencia de dominio, modificaciones y/o alteraciones de contenidos y su uso para otros propsitos, quedafuera de las previsiones de la presente edicin -Por lo tanto, las direcciones electrnicas mencionadas en este libro,

deben ser descartadas o consideradas, en este contexto-.

Rela Pag Iniciales 2010 05 08:Maquetacin 1 06/10/2010 04:06 a.m. Pgina 1

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a u t o r i d a d e s

PRESIDENTE DE LA NACINDra. Cristina Fernndez de Kirchner

MINISTRO DE EDUCACINDr. Alberto E. Sileoni

SECRETARIA DE EDUCACINProf. Mara Ins Abrile de Vollmer

DIRECTORA EJECUTIVA DEL INSTITUTO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICALic. Mara Rosa Almandoz

DIRECTOR NACIONAL DEL CENTRO NACIONAL DEEDUCACIN TECNOLGICALic. Juan Manuel Kirschenbaum

DIRECTOR NACIONAL DE EDUCACIN TCNICO PROFESIONAL YOCUPACIONALIng. Roberto Daz

Ministerio de Educacin.Instituto Nacional de Educacin Tecnolgica.Saavedra 789. C1229ACE.Ciudad Autnoma de Buenos Aires.Repblica Argentina.2010


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Rela, AgustnElectricidad y electrnica / Agustn Rela; dirigido por Juan Manuel Kirs-chenbaum.- 1a ed. - Buenos Aires: Ministerio de Educacin de la Nacin. InstitutoNacional de Educacin Tecnolgica, 2010.285 p.: il.; 24x19 cm. (Las ciencias naturales y la matemtica / JuanManuel Kirschenbaum.)

ISBN 978-950-00-0751-1

1. Electricidad. 2. Electrnica. 3. Enseanza Secundaria. I. Ttulo

CDD 621.307 12

Fecha de catalogacin: 19/01/2010

Impreso en Anselmo L. Morvillo S. A., Av. Francisco Pienovi 317 (B1868DRG),Avellaneda, Pcia. de Buenos Aires, Argentina.

Tirada de esta edicin: 100.000 ejemplares

Coleccin Las Ciencias Naturales y la Matemtica.Director de la Coleccin: Juan Manuel KirschenbaumCoordinadora general de la Coleccin: Hayde Noceti.

Queda hecho el depsito que previene la ley N 11.723. Todos los de-rechos reservados por el Ministerio de Educacin - Instituto Nacional deEducacin Tecnolgica.

La reproduccin total o parcial, en forma idntica o modificada por cual-quier medio mecnico o electrnico incluyendo fotocopia, grabacin ocualquier sistema de almacenamiento y recuperacin de informacin noautorizada en forma expresa por el editor, viola derechos reservados.

Industria Argentina

ISBN 978-950-00-0751-1

Director de la Coleccin: Lic. Juan Manuel KirschenbaumCoordinadora general y acadmica

de la Coleccin:Prof. Ing. Hayde Noceti

Diseo didctico y correccin de estilo:Lic. Mara Ins NarvajaIng. Alejandra Santos

Coordinacin y produccin grfica:Toms Ahumada

Diseo grfico:Mara Victoria Bardini

Ilustraciones:Diego Gonzalo Ferreyro

Federico Timerman Retoques fotogrficos:Roberto Sobrado

Diseo de tapa:Toms Ahumada

Administracin:Cristina CaratozzoloNstor Hergenrether

Colaboracin:Tc. Op. en Psic. Soc. Cecilia L. Vazquez

Dra. Stella Maris QuirogaNuestro agradecimiento al personaldel Centro Nacional de EducacinTecnolgica por su colaboracin.


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El Autor

Agustn Rela es electrotcnico y Licenciado en Fsica. Sedesempe como docente en escuelas secundarias. Esautor de libros para estudiantes y docentes. Ha publicadonumerosos artculos en revistas especializadas y ha pre-sentado ponencias en congresos sobre temas referidos a latecnologa y a su enseanza. Se desempe durante msde veinte aos como profesor de fsica de la Universidadde Buenos Aires. Actualmente se desempea como do-cente en el Instituto Municipal de Educacin Superior deFormacin Docente. Es asesor en el rea de investigaciny desarrollo en establecimientos industriales en temas re-feridos a aisladores de alta tensin. Codirige la revista Q.e. d. de divulgacin de la fsica y la matemtica para elCiclo Bsico Comn de la Universidad de Buenos Aires.

Lic. Agustn Rela


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Electricidad

Captulo 1Fundamentos de la electrosttica 9

Captulo 2Aplicaciones electrostticas 21

Captulo 3Inconvenientes de las cargas estticas 31

Captulo 4Fundamentos de electrodinmica 41

Captulo 5Aplicaciones de la corriente elctrica 53

Captulo 6Materiales elctricos 63

Captulo 7Magnetosttica 75

Captulo 8Induccin electromagntica 87

Captulo 9Aplicaciones cientficas, industriales y domsticas del magnetismo 99

Captulo 10Electricidad y medio ambiente 111

NDICE


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Introduccin al estudio de la Fsica 7

Electrnica

Captulo 11Historia de la electrnica 125

Captulo 12Diodos semiconductores 137

Captulo 13Transconductancia 151

Captulo 14Componentes 163

Captulo 15Amplificadores operacionales 177

Captulo 16Herramientas de experimentacin 191

Captulo 17Introduccin a las tcnicas digitales 203

Captulo 18Nuevos materiales y sus aplicaciones 217

Captulo 19Sistemas microelectromecnicos (MEMS) 229

Captulo 20Electrnica y medio ambiente 243

Respuestas a las Propuestas de Estudio 256

Glosario General 266

Apndices 274


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E l e c t r i c i d a d y e l e c t r n i c a8

Cap 01:Maquetacin 1 06/10/2010 03:21 a.m. Pgina 8

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Captulo 1

Fundamentos de la electrosttica

9

l PINTADO ELECTROSTTICO. Las gotitas de pintura, cargadas elctricamente por unapistola conectada a diez mil volt, se adhieren al objeto por delante y por atrs, sinque se dispersen en el ambiente. Los filtros de carbn activado protegen la respi-racin del pintor de los solventes voltiles.

ELECTRICIDAD


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Electra es un personaje de antiguas obras famosas de teatro que tratan sobre eladulterio y terribles casos de asesinato y venganza. Ese nombre de mujer, en griego,significa rubia, ambarina o del color del mbar. El mbar es resina de pinos u otrasplantas fosilizada y endurecida durante milenios, que se usaba en perfumera y parafabricar peines y adornos. El propio mbar, en griego, se llama electrn; y las palabraselegido y selecto se relacionan, en ese idioma, con lo notable y brillante. Desde muy antiguo, quiz, desde antes de la escritura, se not que cuando se

frota con un pao o contra el cabello un objeto de mbar, saltan chispas que seven en la oscuridad y se oyen; y el objeto levanta plumas, pelusas y otros cuerposlivianos. Se observ tambin que en algunos casos los objetos frotados se atraen yen otros se rechazan. Esos efectos se llamaron ambarinos, o elctricos.Si un cuerpo atrae a otros dos, estos se repelen. Si rechaza a otros dos, estos tam-

bin se repelen. Y si un cuerpo atrae a otro y rechaza un tercero, estos dos ltimoscuerpos se atraen.De eso se dedujo que hay dos clases de electricidad, primitivamente llamadas

ambarina y vtrea, la del mbar y la del vidrio. Despus se las llam polaridadesnegativa y positiva, respectivamente.Hoy, 24 siglos despus, explicamos esos efectos por la estructura atmica de la

materia que sabemos compuesta por tomos, a su vez, formados por protones po-sitivos, electrones negativos y neutrones neutros.

Normalmente la cantidad de protones iguala la de electrones, por eso, la ma-teria es neutra de ordinario. Sin embargo, cuando se ponen en contacto dos cuer-pos y despus se los separa, algunos de los electrones que pertenecan a un cuerpopueden quedar en el otro, y as, el primero resulta con un exceso de protones (yde carga positiva), mientras el otro queda cargado negativamente.


Fundamentos de la electrosttica (cargas en reposo)n Historia, cargas, polaridad

Eurpides (480-406 a.C.),autor de una de las tra-gedias de Electra.

Fisionito, personajede Los Simpson. Eltomo de litio es elque ms aparece enlas caricaturas.

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l

l El tomo de litio tiene tres protones,tres neutrones y tres electrones.


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Las cargas elctricas se miden, o se expresan, en coulomb. Un coulomb equivalea 6,24 trillones1 de electrones.Las cargas elctricas del mismo signo se repelen, y las de signo opuesto se atraen.

De acuerdo con el principio de accin y reaccin, esas fuerzas son de igual inten-sidad o mdulo. Su valor est dado por la ley de Coulomb:

Las letras q1 y q2 representan dos cargas elctricas, en coulomb d es la distanciaentre las cargas, en metros. F es la fuerza con la que se atraen o se repelen las cargas,segn su polaridad, y se obtiene en newton. La constante electrosttica k vale apro-ximadamente2 9109 N.m2.C2, donde N es newton, m metro y C coulomb(metro a la menos dos es lo mismo que uno sobre metro al cuadrado.)Recordemos que un newton es la fuerza que, aplicada a un cuerpo de un kilo-

gramo de masa, en cada segundo que transcurre, le hace cambiar su velocidad enun metro por segundo. Ejemplo. Con qu fuerza se repelen dos gotas de niebla separadas una millonsimade metro, y cargadas cada una con una carga de un billonsimo de coulomb?3Respuesta: F = 9109 N.m2.C2 1012 C 1012 C / (106 m)2; F = 8,99103 N,casi la centsima parte de un newton, o aproximadamente un gramo. (Esa fuerzaparece pequea, pero es mucho mayor que el peso de una gota de niebla.)Hay otras unidades de carga adems del coulomb; por ejemplo el faraday, equi-

valente a un mol de electrones, o sea 6,021023 de esas cargas elementales. Otraes la ues, la unidad electrosttica de carga, tambin llamada statcoulomb (statC) ofranklin (Fr). La equivalencia es 1 C = 2.997.924.580 statC.Cuando una carga de un coulomb pasa de un sitio a otro en un tiempo de un

segundo, se dice que circula una corriente de un ampere. Por eso al coulomb se lollama tambin ampere segundo.

11F u n d amen t o s d e l a e l e c t r o s t t i c a

n Fuerzas elctricas, ley de Coulomb

q1.q2d2

F = k

1 En la Argentina y dems pases de habla espaola un trilln es un milln de millones de millones, o sea 1018 unidades.Lo mismo vale para el Reino Unido de Gran Bretaa e Irlanda del Norte. Pero en los Estados Unidos de Amrica untrilln es apenas 1012, lo que aqu llamamos un billn. Eso es fuente de errores de traduccin y de confusiones en al-gunos casos.

2 El fsico escocs James Clerk Maxwell determin en 1864 que el valor exacto de esa constante es c2/107 N.s2.C2,donde c es la velocidad de la luz en el vaco, hoy supuesta exactamente 299.792.458 metros por segundo.

3 La millonsima parte de un metro se llama micrn, micrmetro o micra. La billonsima parte de un coulomb es un pi-cocoulomb.

F1

q1

F2

q2

La carga que acu-mula alguien cuandose levanta de unasiento de plsticoes del orden de unmillonsimo de cou-lomb, suficiente paraocasionar molestiascuando se descargabruscamente al tocartierra, o un objetogrande. En la foto, lla-vero semiconductor,para descargarsesuavemente y sinmolestia.

l

Se supone que el in-cendio del dirigibleHindenburg, lleno dehidrgeno combusti-ble, obedeci a unadescarga electrost-tica en el momentode tocar tierra, en1937.

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Michael Faraday (17911867), hijo de herrero, tuvo slo estudios bsicos ytrabaj desde nio en una imprenta. Un da fue a una conferencia de HumphryDavy, un fsico famoso; tom notas, las encuadern en la imprenta y se las obse-qui al sabio. ste, impresionado, lo contrat como ayudante de laboratorio. Ahinvent el motor y el transformador. Su idea ms brillante, que sirvi a Maxwellpara entender la electricidad y el magnetismo, fue la de lneas de fuerza, hoy lla-madas lneas de campo. Mucho despus, cuando le preguntaron a Davy cul habasido su mayor descubrimiento, respondi sin dudar: Faraday.Para trazar las lneas de campo correspondientes a un conjunto de cargas, ima-

ginemos una carga adicional positiva, llamada carga de prueba, y veamos qu fuer-zas de atraccin y de repulsin recibe en cada posicin del espacio. La direccinde la fuerza resultante o conjunta, es la de la lnea de campo; y el cociente entreesa fuerza y la carga de prueba es la intensidad decampo en ese lugar.Por ejemplo, las lneas de campo correspon-

dientes a una nica carga positiva son lneas rectasradiales. Los puntos negros indican diferentes po-siciones de la carga de prueba, que recibe fuerzasde repulsin, ms dbiles cuando est lejos.Las lneas de campo de ms de una carga se

obtienen al considerar todas las fuerzas que ac-tan sobre la carga de prueba.

La intensidad del campo elctrico se expresa en N/C, newton por cada cou-lomb, Se ver ms adelante que eso es lo mismo que V/m, volt por cada metro. Sedesigna con la letra E.

La polarizacin es la separacin de las cargas elctricas en positivas por un lado


n Campo elctrico; representacin mediante lneas

l Lneas de campo de dos cargas delmismo valor y de polaridad opuesta. Enrojo, la fuerza de repulsin de la cargapositiva. En azul, la atraccin de la ne-gativa. En negro, la fuerza resultante.(Derecha, detalle ampliado.)

n Polarizacin

En ciencias la pala-bra por tiene dossignificados: uno esel de multiplicar, co -mo cuando decimosque cinco por ochoes igual a cuarenta.Otro significado esel de dividir, comoen metros por cadasegundo, que escri-bimos m/s; o newtonpor coulomb, N/C.

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?

Lneas de campocorrespondientes ados cargas desigua-les y de polaridadesopuestas.

l

1 1

Lneas de campo dedos cargas del mis -mo valor y de la mis -ma polaridad.

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y negativas por otro. Por ejemplo, sifrotamos un peine, posiblemente, secargue negativamente. Al acercarlo aun delgado chorro de agua, el peineatrae las cargas positivas y rechaza lasnegativas. Como las positivas estn, ahora, ms cerca del peine, la fuerza de atraccines mayor que la de repulsin que acta sobre las cargas negativas, ms alejadas. Pre-domina, entonces, la atraccin, y el chorro se desva. ste es un caso de polarizacin.

Es posible, a partir de un cuerpo cargado negativamente, obtener otro cargadopositivamente.

En los cuerpos que conducen bien la electricidad, lascargas de la misma polaridad, al rechazarse, se ubican enlos contornos, y especialmente, en las puntas. Eso es tilpara proteger los edificios de descargas atmosfricas violen-tas. Las cargas se acumulan en las puntas del pararrayos yescapan casi silenciosamente al aire; o, si son muchas, lohacen de modo explosivo, pero sin daos, porque la co-rriente circula por un cable grueso conectado a tierra.A veces, en la oscuridad, se ven fulgores en los mstiles de las embarcaciones, y

hasta en personas subidas a sitios elevados. Quizs el fulgor con el que se representaa santos y profetas se haya visto alguna vez realmente, como efecto electrosttico.


n Carga por induccin electrosttica

+ + +

+ + +

+ + + l Cuerpo neutro. Se le acerca un

cuerpo inductor, cargado negativa-mente. El cuerpo neutro se polariza.

+

+ +

+

+

+ +

+

+ + + + + +

+ + + + + + + + +

+ + + l Sin retirar el inductor, tocamos el cuerpo

polarizado. Las cargas negativas, recha-zadas por el inductor, escapan a tierra.

+ + +

l El cuerpo que era neutro qued cargado positiva-mente. Eso fue un ejemplo de carga por induccin.

n Distribucin de cargas, efecto de puntas

La santa aureola,gloria de Jehov, ofulgor divino, esparte de la tradiciniconogrfica.

l

Un buscapolos elec-trnico de pilas en-ciende cuando se leacerca un cuerpocargado negativa-mente, o cuando sele aleja uno cargadopositivamente; sirveas para determinarla polaridad de lascargas.

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Cuando las opinionespolticas se dividen endos categoras opues-tas y casi balancea-das, se dice, tambin,que se polarizan.

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Para llevar una carga de un sitio a otro no habra que hacer ningn trabajo, siesa carga estuviera muy alejada de otras que pudieran atraerla o rechazarla. Perosi actan fuerzas de interaccin con otras cargas, en general, ser necesario realizartrabajo o recibirlo para trasladar una carga desde un punto a otro. La diferenciade potencial entre esos dos puntos es el cociente entre ese trabajo4 y el valor de lacarga trasladada.

Por ejemplo, si por la accin de otras cargas (queno hemos dibujado), para trasladar una carga dedos coulomb desde el punto 1 hasta el punto 2hay que hacer un trabajo de diez joule, entoncesla diferencia de potencial, entre esos puntos, esde cinco joule por cada coulomb, 5 J/C. Launidad J/C se llama volt, y se simboliza con laV mayscula.

El smbolo triangular es la letra griega delta mayscula, y significa diferencia.Otro nombre para la diferencia de potencial es el de tensin elctrica.Si se elige un punto convencional o arbitrario de potencial nulo, por ejemplo

el infinito, o tierra, entonces se puede hablar del potencial elctrico en un punto.

La lnea azul representa la intensidad delcampo elctrico, que disminuye con la dis-tancia. La carga de prueba es empujada haciala derecha en la parte positiva del eje x, y enel sentido opuesto del otro lado; por eso elcampo invierte su signo. La lnea roja repre-senta el potencial, proporcional al trabajo ne-cesario para traer una carga de prueba desde el infinito hasta determinada distanciade la carga central. Las barras verticales indican el mdulo de la magnitud. La fr-


n Potencial elctrico y diferencia de potencial

1

2

+

+

10J2C

V1 - V2 =JC

V2 - V1 = 5 V2 - V1 = 5V DV = 5V

n Campo y potencial generado por una carga

V

x

E,

2x

qkE =

x

qkV =

+

4 Recordemos que el trabajo se expresa en joule. Un joule es el trabajo de una fuerza de un newton que se desplazaun metro hacia adelante.

Los pjaros no sedaan cuando tocanpuntos de igual po-tencial. Por desdi-cha, a veces unenpuntos bajo tensin.

l

Potencial de dos car-gas opuestas: en rojola positiva y en verdela negativa. En blan-co, las lneas de cam-po. Llevar una cargaen el campo produ-cido por otras es se-mejante, en lo que altrabajo respecta, acaminar entre coli-nas y valles.

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mula de E se obtuvo de dividir por una de las cargas la expresin de la fuerza de laley de Coulomb. La de V resulta del clculo integral, que no se explica aqu.

Un capacitor, o condensador, es un objeto construido especialmente para al-macenar cargas elctricas. Seusan mucho en los circuitoselectrnicos para retardar se-ales o para separar las de di-ferente frecuencia. La formams difundida es el capacitorplano, formado por dos placasconductoras paralelas, separadas por un dielctrico, o materia aislante. Hay capacitores de muchas formas constructivas. La ms simple es un disco

aislante metalizado en ambas caras, con dos alambres soldados y recubierto deplstico para mejor aislacin. Se hacen tambin de papel y aluminio, o de plsticoaluminizado, y se enrollan para que ocupen menos sitio. Los ms pequeos (comoel de la derecha) se llaman electrolticos polarizados, y slo sirven para una polaridad;la opuesta los daa.La capacitancia o capacidad de un capacitor es el cociente entre la carga y la

tensin elctrica entre sus placas. Se mide en coulomb por cada volt, C/V, y esaunidad es el farad, cuyo smbolo es F. Son ms usuales los submltiplos microfarad(F), nanofarad (nF) y picofarad (pF). La capacitancia de un capacitor plano seobtiene con esta frmula:

C es la capacitancia, en farad (F). No se debe confundir con la C de coulomb.psilon suberre es la permitividad relativa del material aislante (por ejemplo,la de algunos materiales cermicos vale 60; la del plstico, 3; la del vaco, 1, y ladel aire, aproximadamente 1; no tiene unidades). psilon subcero vale8,8541012 F/m. A es el rea de una de las placas, en metros cuadrados; y d es laseparacin, en metros, entre las placas. En realidad la constante e0 se puede obtener de la constante electrosttica k,

mediante la igualdad e0 = 1/(4..k), donde es el famoso nmero pi, aproxima-damente igual a 3,1416. Por eso, en muchos libros, en vez de k ponen 1/(4..e0).Ejemplo Qu capacitancia tiene un capacitor de placas de un metro cuadrado


n Capacitancia y capacitores

Ado

C = er eo

La capacitancia en-tre un pie y tierra esde unos 10 pF para elcalzado elevado, yde 40 pF para el bajo.

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En Espaa castellani-zan los nombres detodas las unidades(neutonio, culombio,hercio), pero ennuestro pas la cos-tumbre es hacerloslo con algunas,entre ellas el faradio.Aqu es comn orwatt y vatio; volt yvoltio; pero es raroque digan amperio;muchos prefieren lapalabra ampere, pro-nunciada a la fran-cesa, ampre, aguday sin la e final, aun-que con la ere local. Conviene hablar bien,pero tambin respe-tar las costumbres.

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cada una, separadas por una lmina de polietileno de 20 micrones de espesor, comoel de una bolsa de residuos? La permitividad relativa de este material vale 2,5.Respuesta C = 2,5 8,854 1012 F/m 1 m2/20 106 mC = 1,107106 F, aproximadamente un microfarad.

Un modelo es una comparacin con algo conocido,que sirve para entender mejor un fenmeno.5 Compare-mos un capacitor elctrico con un cilindro en el que des-liza un pistn. La diferencia entre el volumen de lquidoalmacenado a la derecha del pistn y el volumen de la iz-

quierda, representa la carga elctrica del capacitor, ahora nula porque el resorteest flojo. La diferencia de presin entre los compartimientos se compara con ladiferencia de potencial, o tensin; y el caudal en metros cbicos por segundo equi-vale a la corriente en ampere. Un resorte duro en un tanque chico representa uncapacitor de poca capacitancia; un resorte blando en un tanque amplio, uno decapacitancia mayor. En la figura, el resorte est en su posicin natural, sin defor-macin de compresin ni de trac-cin. La carga y la tensin valen cero,y la presin en los dos compartimien-tos es la misma.Si en tales condiciones se inyecta

agua por la derecha, el lquido circu-lar, al inicio, como si no hubiera re-sorte ni pistn, sino un cao directo,puesto que el resorte inicialmente est flojo. Pero a medida que el resorte se com-prima, ejercer una fuerza resistente.

Finalmente, el resorte quedacomprimido y en equilibrio con ladiferencia de nivel. Eso equivale aun capacitor cargado por el que nocircula corriente. Hay tensin, odiferencia de potencial, y haycarga.


nModelo mecnico de un capacitor

Grandes capacitoresde 20.000 V y 1 F. Enlas lneas de distribu-cin de energa elc-trica disminuyen elexceso de corrientedemandada por moto-res. Esa operacin sellama correccin delfactor de potencia.

l

5 Se critica, a veces con justicia, el uso de modelos en el estudio, porque slo son comparaciones simblicas queaunque orienten el conocimiento, no reemplazan la realidad. Pero lo mismo se podra decir de cualquier idea que nosformemos de los hechos, como lo hizo el filsofo Platn hace 24 siglos.


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Si conectamos varios capacitores en la conexin llamada en paralelo (izquierda),la capacitancia del conjunto es igual a lasuma de las capacitancias parciales. Si, encambio, estn en serie (derecha), la capa-citancia conjunta o equivalente est dadapor una frmula ms complicada.Pero, si llamamos elastancia a la inversa

de la capacitancia, 1/C, y la designamoscon la letra S, el clculo se simplifica, por-que la elastancia de varios capacitores co-nectados en serie, es igual a la suma de las elastancias individuales: S = S1 + S2 + S3.

La energa que acumula un capacitor se puede calcular con cualquiera de lassiguientes frmulas.6

Ee es la energa electrosttica7 acumulada, en joule; C es la capacitancia, enfarad; Q la carga, en coulomb, y V la tensin, en volt.Ejemplo. Un capacitor de un microfarad cuyo dielctrico tiene una permitividadrelativa igual a cuatro, se conecta a unafuente de tensin de mil volt. (a) Cuntovale la energa electrosttica acumulada? (b)Cunto vale la carga? (c) Y si despus, yadesconectado de la fuente, se le retira el die-lctrico y queda slo el aire cunto vale lanueva tensin? (d) Y la nueva energa?Respuestas. (a) Ec = 10

6 F . (1.000 V), Ec = 500.000 J. (b) Q = C.V;Q = 106 F. 1.000 V; Q = 0,001 C. (c) Al retirarle el dielctrico de permitividad


n Asociacin de capacitores; elastancia

321

1111

CCC

C++

=

C3 C2 C1

321 CCCC ++=C2

C1

C3

n Energa almacenada en un capacitor

Q 2

CEe = Ee = CV 2 Ee = QV

6 Los cursos detallados ofrecen la demostracin de todas las frmulas, y eso contribuye a su empleo comprensivo. Enesta resea se omiten, en favor de otras informaciones. Pero se recomienda consultar demostraciones, y tambin in-tentarlas por medios propios.

7 Esa energa es una forma de energa potencial, o energa de posicin, puesto que depende de la ubicacin de lascargas electrostticas en las placas o armaduras del capacitor.

Generador de impul-sos de tensin de unmilln de volt, paracomprobar la aisla-cin de instalacionestransmisoras de ener-ga elctrica. Los 24capacitores acumu-lan una energa dediez mil joule. La ca-beza redonda evita laspuntas y las descar-gas al aire.

l


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relativa 4, la capacidad disminuye cuatro veces, y ahora es de 0,25 F. La carga,como est desconectado de la fuente, se mantiene; entonces la nueva tensin valeV2 = Q/V2; V2 = 0,001 C / 0,25.106 F; V2 = 4.000 V. (d) Ec2 = 10

6 F . (4.000 V);Ec2 = 2.000.000 J.La tensin se cuadruplic al quitar el dielctrico, y lo mismo habra ocurrido

si se hubieran distanciado suficientemente las placas del capacitor para que su ca-pacidad disminuyese. Justamente, aparecen tensiones altas cuando nos levantamosde una silla aislante, cuando nos quitamos ropa de fibra sinttica y cuando sepa-ramos un peine del pelo; no cuando nos sentamos o nos vestimos.El hecho de que el capacitor tenga al final una mayor energa electrosttica

acumulada, muestra que para retirar el dielctrico es necesario efectuar un trabajodel mismo monto.

Propuestas de estudio

1.1. En este captulo se mencionaron los prefijos micro, nano y pico, que significanmillonsimo, milmillonsimo y billonsimo, respectivamente, tiles para referirse acantidades muy pequeas. Averigen los significados de los siguientes prefijos desubmltiplos y mltiplos, que van desde el cuatrillonsimo hasta el cuatrilln: yocto,zepto, atto, femto, pico, nano, micro, mili, centi, deci, deca, hecto, kilo, mega, giga,tera, peta, exa, zetta y yotta. Den tambin sus smbolos; por ejemplo, el de giga esG. Encuentren tambin una manera de interpretar los nombres de modo que ayudena recordar el significado. Por ejemplo, zepto se parece a sptimo, y 37 = 21, portanto 1 z = 1021; exa se parece a hexgono, y 36 = 18, por tanto 1 E = 1018.

1.2. Demuestren que un newton porcada coulomb es lo mismo que unvolt por cada metro, a partir de que1 V = 1 J/C y que 1 J = 1 N.m. 1.3. Adhieran con cinta un rectngulode papel de aluminio (sirve el de la en-voltura de un alfajor) a la pantalla deun televisor antiguo.8 Apaguen el tele-visor. Despus no toquen con la manodirectamente el papel, porque recibirnuna buena sacudida. Pero acerquen unallave o cuchara, que pueden tener en la


8 Se necesita un televisor de tubo de rayos catdicos; no sirve, para esta prueba, uno chato de plasma o de cristal lquido.

Los pelos del experi-mentador, conectadoa 50.000 V y aisladode tierra, demuestranque las cargas de lamisma polaridad serepelen.

l

La llamada colita ru-tera es til en lostransportes de com-bustible, porque evitachispas en el mo-mento de la carga. Laleyenda de que evitadolores de cabeza ca-rece de fundamento.

l

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mano con confianza, o conectarlas a tierra para mayor tranquilidad. Estimen o midanla longitud de la chispa que saltar entre el papel metlico y ese objeto. A partir deldato de que el aire resiste aproximadamente un campo elctrico de tres mil volt pormilmetro,9 estimen qu tensin haba entre ambos cuerpos antes de que saltara lachispa y se produjese la descarga. Conviene no poner un papel metlico demasiadogrande, porque la chispa sera demasiado enrgica y podra daar a personas y bienes.

Otras fuentes de estudio

En Internet hay cursos gratuitos de todos los niveles, desde los apropiados paranios pequeos que an no saben leer, hasta temas especializados de investigacin.Se sugieren como palabras de bsqueda electrosttica, capacitores, recreativa, Perel-man.

F u n d amen t o s d e l a e l e c t r o s t t i c a

9 En lugares de gran altitud el aire es menos aislante. Resiste un trece por ciento menos de campo elctrico, por cadamil metros que se ascienda sobre el nivel del mar.

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Captulo 2

Aplicaciones de la electrosttica

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l Frederick Gardner Cottrell (el ms alto) experimenta en1916 con un aparato electrosttico para capturar en laschimeneas la niebla y el holln y evitar que contaminen elambiente. l Arriba, el humo sale libremente por la chimenea sin ten-sin elctrica.l Abajo, unos alambres metlicos a 30.000 volt capturanlas partculas.

ELECTRICIDAD


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Electrosttica en la industria

Las cargas estticas (inmviles o, que apenas se mueven) fueron una curiosidadrecreativa y filosfica hasta el siglo XVII. Pero la Revolucin Industrial les hallaplicaciones tiles, entre ellas la de eliminar el humo de las chimeneas, que en lasgrandes ciudades ensuciaba tanto el aire que a la gente enfermaba; adems de quese ensuciaba la ropa que ponan a secar.1

Precipitacin de humos y nieblas

El humo es una mezcla heterognea de gases de combustin y partculas slidasde carbn, y lquidas de grasa y de agua. Esas partculas son muy pequeas, tardanmucho en caer y permanecen en suspensin en el aire. La niebla se compone degotas muy pequeas de agua lquida, tambin en suspensin. El esmog (de smog,contraccin de smoke y fog, humo y niebla en ingls) es humo y niebla combinados,que aparece en las ciudades industriales, o en el campo cuando hay incendios.

Para atrapar las partculas, se las carga con alambres alimentados con algunasdecenas de miles de volt, y se las atrae con placas o rejas cargadas con la polaridadopuesta. Cuando el filtro se llena, se lo sacude para que el holln y la grasa se des-prendan y caigan en una bolsa, y se desechan sin tanto dao para el ambiente


Aplicaciones electrostticas

o, la viajera, conver-tida en vaca por Zeuspara esconderla de loscelos de Hera. (Jarrndel ao 750 a.C.)

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niebla humo esmog

1 Recordemos que el trabajo se expresa en joule. Un joule es el trabajo de una fuerza de un newton que se desplazaun metro hacia adelante.

Captura de niebla enuna taza de caf. Aveces se forma unacapa de niebla en lasuperficie, que desa-parece cuando sea cerca un bolgrafoelectrizado por fro-tamiento.

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como el que representara tirarlos a la atmsfera. Una partcula cargada de electri-cidad se llama ion,2 y el acto de cargarla, ionizacin. Los iones se mueven en loscampos elctricos.

El filtro electrosttico o precipitador de Cottrell, inventado en 1916, no slo sirvepara limpiar los gases de las chimeneas, o el aire que ingresa a un edificio.3 Se utilizatambin para condensar nieblas producidas artificialmente con fines industriales. Por ejemplo, una sustancia de gran aplicacin en la fabricacin de detergentes

y champes es el cido sulfnico, que se obtiene a partir de la quema de azufre enun ambiente humedecido con pulverizadores de agua. El cido aparece en formade niebla muy fina que tarda mucho en caer. Para acelerar su recoleccin, se lacaptura con precipitadores electrostticos, formados por cientos de alambres ver-ticales conectados a decenas de miles de volt. Las gotitas de niebla cida se adhie-ren a los alambres, y gotean sobre un recipiente donde se recoge el producto.

Erosin de superficies para adherencia de pinturas

Es difcil pintar rtulos en bolsas de plstico, y que la pintura quede bien ad-herida y no se salga con la manipulacin. Puesto que la adherencia de la pintura auna base es un fenmeno elctrico, antes de imprimir las leyendas y marcas sobrelas superficies plsticas, se las hace pasar por generadores de alta tensin que dejanla superficie, momentneamente, cargada; entonces, la pintura se adhiere bien. Elcampo elctrico es tan intenso que se desprenden algunas partculas microscpicasdel plstico y, gracias a eso, la tinta se adhiere ms.

23Ap l i c a c i o n e s d e l a e l e c t r o s t t i c a

Algunos filtros dehumo para cocinasse basan en la cap-tura electrosttica dela niebla de grasa,que se quema a bajatemperatura por laaccin de rayos ul-travioletas.

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Los frescos de la Ca-pilla Sixtina en el Va-ticano, pintados porMiguel ngel Buona-rroti entre 1508 y1512, debieron lim-piarse varias vecesdel humo de las velasde las ceremonias ydel trnsito de auto-mviles. Ahora hayfiltros de aire, algu-nos de ellos electros-tticos.

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2 Ion, en griego, significa: el que va, y se relaciona con la diosa o, que viaj por el mundo para huir de los celos deHera, esposa de Zeus, padre de los dioses en la mitologa griega.

3 El aire verdaderamente acondicionado debe estar libre de microbios y tener una humedad controlada. Para eso, yaunque sea verano, se lo calienta para esterilizarlo, se lo enfra para que se condense la humedad excesiva (que goteaafuera), se lo vuelve a calentar para darle una temperatura agradable, y se lo humecta con agua estril si es necesario.Pero muchos llaman aire acondicionado simplemente al aire fro en verano, o caliente en invierno, filtrado apenascon una esponja.

l Para capturar el humo en unachimenea se cargan las partcu-las con alambres de una polari-dad, y despus se las atrae conplacas cargadas con la polari-dad opuesta.


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Xerografa

Xerox significa, en griego, a la vez seco y cera. Para obteneruna fotocopia con ese mtodo se carga elctricamente un cilindroaislante con la ayuda de un alambre que se mantiene cerca de susuperficie, y conectado a una tensin de unos diez mil volt.Una vez cargado el cilindro, se proyecta sobre l una imagen

luminosa intensa del original. La luz est compuesta por part-culas llamadas fotones, que cuando inciden sobre la superficiecargada, le arrancan electrones, o sea que descargan localmente el material previa-mente cargado.A continuacin se espolvorea el cilindro con polvo negro ceroso, el tner, el

cual se adhiere slo donde no dio la luz, o sea, en las partes cargadas que corres-ponden al negro del original.Despus, se aprieta un papel contra el cilindro, para transferirle el tner. Se calienta

el papel; la cera se funde, y la imagen queda fija. A veces, cuando el papel se atasca ylo retiran antes de este ltimo proceso de fusin, la copia se borra con los dedos.La xerografa es una muy til aplicacin de la electrosttica, que influy mucho

en el flujo de la informacin impresa, quiz tanto como la popularizacin de laimprenta en el siglo XV.4

Originalmente los cilindros xerogrficos eran de selenio, cuyo xido superficiales aislante de la electricidad. Hoy se usan diversos plsticos ms efectivos y baratos.Las impresoras lser son fotocopiadoras en las que la imagen luminosa, en vez

de provenir de un original fuertemente iluminado, se graba directamente con unrayo lser en la superficie de un cilindro previamente cargado elctricamente.Una ventaja de las impresoras lser, en comparacin con las de tinta lquida,

es que las impresiones resisten las salpicaduras de agua sin que se corra la tinta.

Empalme de hilos

En las hilanderas se evitan los nudos en los hilos, porque dificultaran el trabajodel telar, apareceran en el tejido y disminuiran su calidad. Para empalmar dos


Es difcil mantenerlimpia una ventanade plstico de inte-riores, porque al pa-sarle un trapo secarga elctricamen-te y captura el polvo.En cambio a la intem-perie la luz del da ladescarga.

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La humedad de Bue-nos Aires, junto a unode los ros ms gran-des del mundo, im-pide que las cargaselctricas se man-tengan en su sitio.Por eso, en muchoscentros de copiadoalmacenan el papelen vitrinas con unalmpara encendida,para mantenerlo mscaliente que el am-biente y evitar la con-densacin de agua,que humedece el ci-lindro y lo descarga.

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4 En 1950 tardaban media hora en hacer una fotocopia de las llamadas en el acto, y la entregaban hmeda. Por serlentas y caras, no se usaban en las escuelas; los alumnos calcaban los mapas, o los maestros reproducan originalestrazados con lpices de tinta, cuyo pigmento se impregnaba en una gelatina hmeda que se usaba despus como unsello para imprimir hasta cincuenta copias. Ese rudimentario aparato se llamaba gelatgrafo, y lo construa el propiodocente en una lata rectangular de dulce de batata, o lo compraba en libreras. En comparacin con los estudiantesde hace medio siglo, los actuales tienen posibilidades de estudio mil veces mayores.


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hilos les aplican tensin, entonces sus fibras se separan por la repul-sin de las cargas de la misma polaridad. En esas condiciones apro-ximan los extremos, y las fibras se entrecruzan. Cuando les dan a loshilos polaridades opuestas, las fibras se unen y el hilo queda entero,sin nudo, como si nunca hubiera sido cortado.5

Transferencia de hojas de papel en impresoras

Las impresoras ms comunes, de uso hogareo y de oficina, hacen correr lashojas de papel con piezas mviles de goma. Pero, a veces, pasan varias hojas a lavez, o ninguna, porque la adherencia entre las hojas es mayor que con la gomagastada o sucia, y el papel se atasca. En impresoras industriales las hojas se tomancon ventosas y no por arrastre; pero hace falta una pequea bomba de vaco. Unasolucin ms silenciosa, compacta y hoy muy barata, es atraer las hojas electrost-ticamente, con un pequeo generador de unos miles de volt.

Ozonizadores

El ozono, u O3, es un gas cuyas molculas estn formadas por tres tomos deoxgeno cada una. Normalmente, ese gas slo existe en la alta atmsfera, adondellega la radiacin ultravioleta del Sol. Esos rayos desarman las molculas de O2 yse forma O1, O2 y O3.6

Para desinfectar y desodorizar baos pblicos se instalan ozonizadores, que sonaparatos que producen ozono en una concentracin tolerable durante media hora,o una. Para generar ese gas hay que desarmar las molculas del oxigeno diatmicoordinario del aire; eso se consigue con un generador de unos seis mil volt.7

Pantallas de cristal lquido

Una pantalla de cristal lquido, en ingls liquid crystal display, o LCD, est for-mada por dos vidrios paralelos entre los que se aloja una capa de gel compuesto


Generador de ozonopara baos. El lmitehiginico es de 0,1 ppm(partes por milln), osea, como mximo,una molcula de O3cada diez millones delas otras molculasde O2 y N2 del aire. Eli-mina microbios, y daun olor particular alaire, como el que sepercibe despus deuna tormenta elc-trica, y que muchosllaman olor a tierramojada.

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Si se apoya una hojade papel o una radio-grafa contra la pan-talla de un monitor derayos catdicos, seadhiere, atrada porlas cargas elctricasde la pantalla.

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5 Actualmente se usan ms los empalmes de aire comprimido.6 El ozono en la alta atmsfera es til para filtrar la radiacin ultravioleta del Sol. Se cree que ciertos gases industriales,

los fluorocarbonos que se usan en refrigeracin y en envases de aerosol, destruyen esa capa protectora. Inversamente,la quema de combustibles genera ozono, cuyo exceso al nivel del suelo es txico para animales y plantas.

7 Tambin se obtiene un efecto similar, aunque menos efectivo, con una lmpara de rayos ultravioleta protegida paraque no dae la vista. Este aparato, ms pequeo, barato y de menor consumo que las antiguas autoclaves de vapor,se usa para esterilizar tijeras y navajas en las peluqueras.


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por partculas alargadas que se orientan en un campo elctrico. Los vidrios tienencontactos de oro, tan delgados que son transparentes; y slo se ven bajo ciertosngulos. Esas pantallas se popularizaron en 1970. Como su funcionamiento eselectrosttico, no hay corrientes elctricas permanentes (ms que las de carga ydescarga), entonces consumen muy poca energa, y se las puede usar en aparatosde pila.Cuando se aplica tensin a los electrodos, las partculas se orientan y producen

el efecto de SchadtHelfrich en la luz, que consiste en un giro del plano en el quevibran las ondas luminosas, llamado plano de polarizacin. Si se observa el gelentre dos filtros polaroides, que dejan pasar slo la luz que est polarizada en de-terminado ngulo, entonces cuando las partculas se orientan aparece el trazo delnmero o signo, y cuando se interrumpe la tensin y las partculas del gel se des-orientan (se orientan cada una al azar), el trazo desaparece.

Se puede improvisar un LCDcon medios rudimentarios. Enuna botella de plstico transpa-rente se pone diluyente de pinturay una pequea cantidad de pin-tura de aluminio. Cuando se frotala botella con un pao, el plsticose carga y las partculas de alumi-nio se orientan; eso se nota comoun cambio en el brillo de la pin-tura dentro de la botella.

Tubos de rayos catdicos

En electricidad, el nodo es el polo positivo, y el ctodo, el negativo (de ana,hacia arriba, y cata, hacia abajo, en latn). El nombre genrico para referirse tantoal ctodo como al nodo es electrodo. El cientfico britnico William Crookes8


Los LCD son tan sen-sibles, que se lospuede excitar con laelectricidad estticagenerada al frotar lospies contra el piso.

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Una botella de pls-tico con pintura dealuminio diluida regis-tra la tensin alternade 220 V de un cableaislado. El campoelctrico orienta lasescamas metlicas.

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Pantalla de un reloj endesuso, excitada di-rectamente con unapila o batera.

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l Efecto Schadt-Helfrich

l Rplicas de tubos de Crookes. Se conecta el polo positivoal lateral, y el negativo al extremo. En el frente, pintado conpintura fluorescente, aparece un fulgor. La pequea cruz deMalta rebatible hace sombra.

8 En sus ltimos aos Crookes se hizo espiritista, y por eso perdi prestigio en crculos cientficos. Pero en su juventudy madurez fue un investigador brillante, autor de numerosos descubrimientos, por los que obtuvo el ttulo de Sir.


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(18321919) estudi las corrientes elctricas que atraviesan el aire encerrado enun tubo a diferentes presiones, y cuando hizo el vaco not que algo sala en lnearecta del polo negativo hacia el positivo, que haca brillar materiales fluorescentes.Llam a ese efecto rayos catdicos. Hoy sabemos que son electrones que salen delctodo y viajan hacia el nodo a travs del espacio vaco.

Donde incide el haz de electrones, la pantalla brilla. Unas bobinas alrededordel cuello del tubo, llamadas el yugo, generan campos magnticos variables quedesvan el haz para que trace la imagen. Lo mismo se puede hacer con placas late-rales, dos verticales y dos horizontales, sometidas a tensiones alternas.

Tubos fluorescentes, de nen y pantallas de plasma

Los campos elctricos, si son bastante intensos, pueden ionizar los tomos, osea, arrancarles electrones y convertirlos en iones positivos (partculas cargadas po-sitivamente) mientras que los electrones arrancados de los tomos son iones nega-tivos. Esos iones se mueven cada uno hacia el polo de la polaridad opuesta, y enel camino chocan con tomos y les hacen aumentar su energa; los excitan. Cuandolos tomos excitados vuelven a su estado normal, emiten la energa sobrante, aveces en forma de luz visible. se es el principio en el que se basan los tubos fluo-rescentes, las lmparas de nen y las pantallas de plasma. Se llama plasma a un gasque tiene ionizada casi la totalidad de sus tomos. Hay plasma dentro de un tubofluorescente encendido, en una llama, en la superficie del Sol, en una chispa elc-trica, qumica o mecnica, y en las pantallas de plasma que usan muchos aparatos,y que funcionan como una gran cantidad de tubos fluorescentes diminutos.Para construir una pantalla de plasma se hace el vaco entre dos vidrios paralelos


Cuando los electro-nes chocan contra elpigmento de unapantalla, sufren unafrenada brusca, y esohace que emitanrayos X. Su dosis eslimitada y no daa lasalud. Sin embargo,se recomienda a lasembarazadas que nopasen muchas horasfrente a un monitorde computadora o te-levisor muy cercano.El efecto se conocecomo Bremsstrah-lung, en alemn, ra-diacin de frenado, yse descubri en 1896.

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Junto con las copiasxerogrficas, el tubode TV ha sido quizsuna de las aplicacio-nes ms tiles de laelectrosttica en lacomunicacin de in-formacin.

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l Tubo de rayos catdicos de TVo PC. Un filamento caliente emiteelectrones, y los atrae la envol-tura lateral pintada con grafitoconductor. Para que el haz no sedisperse, se lo hace pasar por untubo de potencial positivo, el ani-llo de enfoque.

l Placas de deflexin horizontal y vertical en el tubode rayos catdicos de un osciloscopio.

Los cuatro elementossegn la antigua al-quimia, tierra, agua,aire y fuego, se po-dran identificar conlos cuatro estados deagregacin de la ma-teria: slido, lquido,gas y plasma.

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cercanos, se llena ese espacio con gases a baja presin, y unos electrodos muy pe-queos, uno por cada punto de la imagen, o smbolo, hacen que cuando se losconecta a una fuente de tensin elctrica, ionicen el gas y atraigan los iones, quecuando chocan contra tomos, sin ionizar, los excitan; y estos tomos devuelvenesa energa en forma de radiacin ultravioleta, que incide contra una pintura fluo-rescente y hace que fulgure.

Las pantallas de plasma, o PDP (plasma display panel) son muy delgadas encomparacin con los tubos de rayos catdicos, y consumen menos energa elctricaque ellos.9

Memorias electrostticas

Las primeras computadoras de principios del siglo XX usaban vlvulas de vaco,una especie de lmparas de filamento con electrodos adicionales, capaces de am-plificar una corriente elctrica y cumplir funciones lgicas como la de almacenarla informacin. En 1950, para la misma aplicacin, se empezaron a usar transis-tores, mucho ms pequeos y de menor consumo. En 1971 Dov Frohman inventla EPROM, Erasable Programmable Read-Only Memory (memoria de lectura ex-clusiva programable y posible de borrar), conocidos como chips de memoria fijapara las computadoras. Se los puede grabar mediante el procedimiento de apli-carles en un cierto orden tensin a sus patas; con eso quedan cargas elctricas al-macenadas permanentemente en millones de cristales internos. La presencia oausencia de esas cargas se puede detectar desde las patas del chip, y en eso consistesu memoria.El invento de Frohman, que recuerda el principio de funcionamiento de las


Aurora polar. Laspartculas cargadasque emite el Sol sedesvan en el campomagntico terrestre,excepto en los polos,donde ese campo esvertical y no impideque las partculassolares bajen y exci-ten los tomos de losgases del aire.Cuando los tomosvuelven a su estadonormal, emiten luz.

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l Rojo, verde y azul: pigmento fluorescente.Negro: separadores aislantes. Amarillo: electro-dos verticales; magenta, horizontales. El espec-tador ve desde arriba un punto luminoso dondese cruzan dos electrodos, en el instante en queestn bajo tensin.

9 En una poca se consideraba, como ndice de desarrollo de una comunidad, la cantidad de energa elctrica que con-suma cada habitante por ao. Hoy ese mismo indicador tiene un significado a veces opuesto, porque una sociedadrealmente avanzada aprovecha la energa, de la que consume escasa cantidad.

Una curiosa deriva-cin del microscopiode efecto tnel fue eldescubrimiento deque, adems de elec-trones, se puedenarrancar tomos, ycambiarlos de sitio. Lafigura muestra la si-glas IBM (Internatio-nal Bureau Machines,Mquinas de OficinaInternacional), com-puesta con tomos dexenn depositados so-bre una superficie denquel. El efecto es tilpara construir memo-rias muy pequeaspara computadoras.

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copias xerogrficas, consisti en eliminar las cargas, cuando hace falta, con la ex-posicin del chip a una fuente intensa de luz o de radiacin ultravioleta, entoncesla EPROM se puede programar o escribir otra vez.

Microscopio de efecto tnel

Imaginemos una bolita que se desplaza libremente hacia una loma.Si su velocidad es suficiente, la superar; y si es menor, volver de re-greso. Lo mismo pasa con un electrn disparado contra una reja nega-tiva. Si el electrn tiene velocidad suficiente, la atravesar, y en el casoopuesto rebotar, rechazado por la reja de la misma polaridad. Sin embargo, a

principios del siglo XX se not que, unos pocos electronesde energa, que pareca insuficiente, atravesaban esa barrera.En broma, y pensando en la bolita y la loma, alguien pre-gunt: Es que pasan, acaso, por un tnel? Y as qued esenombre para designar un efecto que parece extrao, peroque la fsica cuntica explica a partir de las propiedades on-

dulatorias de toda la materia, y que se nota ms en las partculas pequeas.El microscopio de efecto tnel explora una superficie con una aguja muy del-

gada, conectada a un potencial elctrico que slo arranque del material electronespor efecto tnel. Un circuito detecta cada vez que ocurre ese fenmeno, entoncesse sabe que la aguja estaba pasando cerca de un tomo y le quit un electrn. Conese aparato se ven indirectamente tomos individuales.

PROPUESTAS DE ESTUDIO

2.1.Con la ayuda de fuentes de informacin ajenas a este captulo (libros, Internet,consultas a gente que sepa) determinen si es correcta la designacin relojes decuarzo lquido que usan algunas personas para referirse a los relojes de pantalla decristal lquido, o LCD. Las pantallas de cristal lquido contienen cuarzo? El cuarzoes lquido a la temperatura ambiente? En qu interviene el cuarzo en esos relojes,y otros de agujas mviles?2.2. Hace veinte aos los telfonos pblicos callejeros que contaban con ilumi-nacin de 220 V, tenan un cartel que decan PELIGRO, ALTA TENSIN. Hoyen cambio dicen PELIGRO, HAY TENSIN, puesto que la frase alta tensintiene un significado especfico en el ambiente industrial. Averigen a qu tensio-nes se las llama muy baja, baja, media, alta y muy alta tensin.


Segn fabricantes,vendedores y algu-nos usuarios, los fil-tros de pantallashacen ms cmodoel trabajo con moni-tores de rayos cat-dicos, y protegen lasalud. Lo cierto esque la conexin a tie-rra del vidrio conduc-tor evita las chispas.

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2.3. Estudien una aplicacin industrial del tema de este captulo, que no se hayatratado en l, por ejemplo, los altoparlantes electrostticos, o ESL (electrostaticloudspeakers), el Gran colisionador de hadrones, el microscopio de ion de campo,los msculos artificiales, los rels o relevadores electrostticos y la separacin degranos de cereales y de moliendas.2.4. Algunas personas se alarman por las chispas que saltan a veces entre la manoy la pantalla de un monitor de computadora, y en la creencia de que puedan daarla salud interponen pantallas de vidrio conductor y algo oscuro que evitan eseefecto, y, supuestamente, interceptan radiaciones dainas, como podran serlo losrayos X. Investiguen el tema. Si esos filtros son tiles por qu no los incorporande fbrica? Hay en el mercado propuestas similares justificadas o no para pan-tallas de plasma y de cristal lquido?2.5. Por qu las pantallas de los monitores de tubo de rayos catdicos se ensuciantan rpidamente, y ms que los vidrios de las ventanas?2.6. Construyan un detector electrosttico como el de la figura ubicada en el mar-gen izquierdo, y comprueben con l si los filtros de pantalla eliminan el campoelctrico en las cercanas. (Conviene acercar y alejar el detector, para que indique.)


A pesar de que sus datos carecen de respaldo acadmico, hay sitios en la webque constituyen fuentes tiles de informacin, y buenas orientaciones de bsqueda.Sin embargo, se propone una fuente de mayor seriedad acadmica es Interaccionesa Distancia, de A. Maiztegui, R. dm, S. Queiro, A. Rela y J. Strajman, Procien-cia, Conicet, 1994, en la Biblioteca del Maestro y en http://www.inet.edu.ar, Ca-pacitacin, Materiales, Ciencias para la educacin tecnolgica.


Si se adhiere unamina de lpiz o unalambre a los con-tactos de una panta-lla de cristal lquido,sirve como detectorade campos elctri-cos; indica si hay ono tensin alterna enun cable, sin necesi-dad de pelarlo.

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Captulo 3

Inconvenientes de las cargas estticas

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l El hidrgeno del dirigible Hindenburg se incendia cuando la nave aterriza en Nueva Jersey, Estados Unidos,el 6 de mayo de 1937. Murieron 35 de sus 97 ocupantes, ms una persona en tierra. El desastre lo habrancausado una fuga de gas y una chispa elctrica, pese a que la tripulacin realiz las maniobras de descargacorrectas antes de echar amarras. Se especula tambin en un posible atentado contra ese smbolo del po-dero tecnolgico de la Alemania nazi, dos aos antes de que estallara la Segunda Guerra Mundial.

ELECTRICIDAD


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Sacudidas al tocar un coche o un mueble

Todos experimentamos alguna vez una sacudida molesta al tocar algo despusde bajar de un coche, levantarnos de una silla de plsticoo caminar unos metros sobre una alfombra de plstico, omuy seca. Cuando se separan dos cuerpos en contacto, mu-chos electrones exteriores de los tomos de un cuerpopasan a los del otro, y as los dos cuerpos quedan cargadoscon polaridades opuestas.

Este efecto ocurre especialmente en lugares y das secos;es muy molesto, y la sorpresa puede causar movimientosbruscos, la cada de objetos que se tenan en las manos, yhasta incendios en depsitos de inflamables y estaciones deservicio, con daos personales y materiales.

Para evitar ese efecto hay varias soluciones. Una es apli-car un lquido antiesttico a las alfombras y tapizados, porejemplo glicerina. Esta sustancia es muy higroscpica, ab-sorbe la humedad del ambiente y hace que la tela conduzcaun poco la electricidad; con eso la persona se descarga atierra a la vez que se levanta del asiento.1

Hay alfombras que ya son conductoras, por s mismassin el agregado de productos, porque en su hilado se in-corporan fibras de carbono, que adems de darles robustez,

las vuelven conductoras de la electricidad. Un truco para evitar la carga es el de tomarnos de un cuerpo metlico grande

durante todo el tiempo que tardamos en levantarnos de un asiento aislante.Por ejemplo, si salimos de un coche, nos podemos tomar a la vez de la manija de la

puerta; si nos levantamos de una silla, hagmoslo con una mano apoyada en un muebleconductor, o en una pata metlica de la misma silla. De esa manera derivamos a tierralas cargas en el mismo instante en el que se producen, sin dejar que se acumulen.


Inconvenientes de las cargas estticas

El reparador conectasu mueca a tierrapara evitar chispasque puedan daarlos circuitos electr-nicos. El cordn espoco conductor, paralimitar la corriente si to-mara contacto acci-dental con la fuente.

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La gran rea de con-tacto del choque depalmas disminuye losmicroamperes porcentmetro cuadradode una descarga, y laconsiguiente moles-tia. Ser se el ori-gen del difundidosaludo?

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1 Las mujeres suelen sufrir ms que los varones esa clase de descargas de electricidad esttica acumulada, posible-mente por una mayor sensibilidad neurolgica, una piel ms delgada, o una mayor rea de contacto con el asiento.


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Quiz por el clima hmedo de muchas regiones de la Argentina, aqu no tene-mos muy desarrollados los medios de proteccin contra las incomodidades de laacumulacin de cargas estticas. En cambio, en hoteles de otros pases se ven a vecescuadros semiconductores con un smbolo elctrico junto a las puertas de las habi-taciones, para que los pasajeros los toquen antes de accionar las manijas. La pinturasemiconductora del cuadro facilita una descarga lenta, silenciosa e indolora.

Las hilanderas e industrias con cintas transportadoras aislantes registraban fre-cuentes casos de molestias y percances ocasionados por la generacin de cargaselctricas, y hoy toman precauciones.

Un ejemplo, en la figura: las galletitas avanzan sobre una cinta de tefln,2 a laque no se adhiere el chocolate con el quelas cubren. Un chorro de aire fro solidi-fica la cobertura. En la zona A las galletitasse separan de la cinta y adquieren cargaelctrica, que transfieren al recipiente me-tlico B adonde caen. La persona quetoma ese recipiente queda cargada, y sufremolestias en ese momento, o cuando tocadespus algo que est a tierra, por ejemplo

otra mquina. La carga opuesta que adquiere la cinta va pasando a tierra a travs dela pequea distancia que la separa del armario metlico C. El problema se resolvi,al inicio, con el cambio del recipiente metlico B por uno de plstico, y despuscon el reemplazo de la mesa aislante por otra conductora.3

Descargas atmosfricas, pararrayos, descargadores

Desde muy antiguo, y an hoy, el rayo es la descarga electrosttica ms dainapara las personas y bienes materiales. Cuando su ocurrencia era imprevisible sele atribua carcter divino. Tanto en las representaciones del dios romano Jpiter,como en las de su equivalente griego Zeus (de cuyo nombre derivan Deus yDios) empuan rayos que representan el merecido castigo del Cielo. Hace unpar de siglos la colocacin de pararrayos despertaba reservas religiosas en algunaspersonas muy conservadoras, que ridiculizaron a su inventor, Benjamn Franklin

33I n c o n v e n i e n t e s d e l a s c a r g a s e s t t i c a s

Los productos anties-tticos evitan que laropa se adhiera alcuerpo, y hacen quecuelgue con la ele-gancia de una anti-gua tnica de lino.

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Bolsa antiesttica pa -ra guardar plaquetasde computadoras yotros circuitos sensi-bles a las descargasestticas. Las lneasde pintura conductoraimpresas hacen quetodos los puntos delcontenido se encuen-tren al mismo poten-cial elctrico, sin ten-sin o diferencias depotencial (es el princi-pio de la llamada jaulade Faraday).

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2 El tefln es una marca registrada de Dupont para el politetrafluoretileno. Ese plstico es aislante, impermeable, inertey se puede usar entre 270 y 300 C.

3 Un supervisor aprendi que si pona ms tensa la cinta (con eso aumentaba su distancia al armario) desaparecan lasquejas del personal. Pero como ignoraba los detalles electrostticos, deca: Cuando pongo ms tirante la cinta,aquella mquinas dejan de dar corriente., y sealaba instalaciones alejadas, contra las que se descargaban los ope-rarios en sus tareas, y que estaban provistas de robustas puestas a tierra, resultado de los reiterados reclamos.

A

B

C

l Acumulacin indeseada de cargas


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(17061790). La Iglesia, sin embargo, jams objet la invencin, como algunoscreen.4

El pararrayos ms sencillo es la punta de Franklin, una simple barra metlicaconectada a tierra con un cable grueso, y puesta encima de un edificio. Cuandose produce la ruidosa descarga, la corriente pasa directamente a tierra por un ca-mino directo, sin que se genere una gran cantidad de calor. En cambio si la des-carga ocurre a travs de los materiales del edificio, que no son muy conductores,se genera mucho calor. Por ejemplo el agua del tronco de un rbol hierve, y elvapor lo hace estallar.5

Durante los siglos XIX y XX se perfeccion la punta de Franklin, al descubrirseque se poda usar no slo para disminuir los efectos destructivos de un rayo, sinoincluso para evitar su ocurrencia.

Las puntas de los pararrayos, donde se acumulan las cargas y el campo elctricoes ms intenso, facilitan descargas suaves y casi silenciosas, que evitan muchasveces el rayo. En 1925 se empez a colocarles materiales radiactivos (americio 241,o radio 226) para mejorar la ionizacin del aire cercano. Pero en 1985 se juzgque esa ventaja no compensa el riesgo de dao radiolgico.

Si bien el pararrayos, en s, est muy alejado de la gente, y a medio metro dedistancia su radiacin es insignificante, las personas que comercialicen materialesde demolicin se podran contaminar si manipularan el material sin conocerlo; por

eso hoy se desalienta el empleo de pararrayos radiactivos.Hay pararrayos ms complejos, cuyo diseo procura

siempre ionizar el aire cercano para facilitar la descargasuave si es posible, o al menos, si fuera violenta, aumen-tar la probabilidad de que ocurra en ese sitio, y no enedificios cercanos sin proteccin. Algunos tienen gene-


Fulminar es matar oquemar el rayo. Fulmi-nante es el detonadoro explosivo sensible alos golpes o a laschispas, cuyo esta-llido hace que exploteel explosivo principal.Fulminita es un mine-ral formado por la fu-sin de la roca por unrayo. En el lenguaje fi-gurado, fulminantesignifica sbito.

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En un rayo, el caminode la corriente puedeser ascendente, des-cendente u oscilante.Sin embargo se diceque caen, porque selos supona enviadospor los dioses de lasalturas. En el antiguovaso griego, Zeusempua el rayo conel que castiga a losmortales.

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l Izquierda, un rayo en el mar. Derecha, casa alta de madera protegida con un pararrayos.

4 Franklin, en realidad, no sufri censura de los conservadores slo por su pararrayos que eluda supuestos castigosde Dios; sino principalmente por ser contrario a la esclavitud y por contribuir a la independencia de la colonia inglesade la que surgieron los Estados Unidos de Amrica.

5 Es correcta la expresin Y a m, que me parta un rayo!, porque los rayos parten verdaderamente los troncos a lolargo, en la direccin de la veta de la madera. Partir es dividir a lo largo; cortar, a lo ancho. (El dicho se usa para que-jarse del desprecio inmerecido.)


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radores de alta tensin como los chisperos que encienden las cocinas, pero cuandohay tormentas a veces se corta el suministro elctrico, y esos pararrayos no funcio-nan justo cuando ms se los necesita. Otros aprovechan como energa elctrica lade la propia descarga en ciernes, y se llaman pararrayos de cebado.

Aun bajo la proteccin de un pararrayos, cada vez que se produce una descargaatmosfrica hay inconvenientes. Adems del estampido, que a veces rompe vidrios,aparecen diferencias de potencial entre las partes del edificio que pueden alcanzarvalores importantes: a veces se sienten en el cuerpo, o daan equipos electrnicos.Los aparatos ms expuestos son los telfonos y los mdems conectados a las lneastelefnicas. Para reducir esos efectos se colocan en los aparatos electrnicos sensiblesunos dispositivos de proteccin, los descargadores, o supresores de picos de tensin.Generalmente se ponen dos, uno entre los cables de alimentacin, y otro entre unode ellos y masa, o sea la carcasa metlica del aparato, si la tuviera. Cuando por efectode una descarga atmosfrica la tensin crece muy por encima de los 220 volt nor-males, el descargador que, normalmente es aislante, se torna conductor sbitamente,y con eso protege el equipo, aunque a veces haga que se fundan sus fusibles y se losdeba reemplazar; eso suele ser ms barato que un aparato nuevo.

Un descargador puede consistir solamente en dos piezas metlicas separadaspor una muy pequea distancia en aire, o una algo mayor en gas a baja presin.Un arrancador de tubo fluorescente, o una lmpara de nen, sirven en algunoscasos como descargadores improvisados para proteger aparatos electrnicos contratensiones excesivas, por ejemplo cuando la alimentacin es de 110 V, y el arranca-dor o la lmpara son de 220 V.

Proteccin de materias inflamables contra descargas de electricidad esttica acumulada

La gran cantidad de automotores en circulacin hace que existan todava in-cendios accidentales originados en chispas elctricas, a pesar de las precaucionesavanzadas que imponen las leyes y reglamentos. Un accidente muy comn ocurre


Supresores de sobre-tensin slidos, llama-dos varistores (devariable) y capacitor.Son usuales y baratos.

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Descargador paralnea area de ener-ga elctrica. En in-gls los llaman surgearresters, y en portu-gus, pararraios.

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l Descargadores para aparatos de 220 V. En losde tres patas se conecta el centro a masa, y losextremos a la lnea de alimentacin.

En las lneas areasque transportan e-nerga elctrica, elcable ms alto es elde tierra, que protegelos otros de las des-cargas atmosfricas.

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en estaciones de autoservicio, cuando el conductor est llenando el tanque delcoche y baja el acompaante para relevarlo en la tarea. Cuando toca el pico decarga o la boca del tanque, salta a veces una chispa que enciende la mezcla de airey vapores de nafta. Si el pico funciona bien, cortar enseguida el chorro cuandolo suelten; y si el tanque est en buenas condiciones soportar la explosin y slodar un soplido; pero esa salida brusca de gas puede dispersar lquido encendido,y causar quemaduras importantes.

Los camiones que transportan combustible estn especialmente protegidos;antes con una cadena de descarga a tierra que colgaba del paragolpes trasero y searrastraba por el suelo pero, ahora, con neumticos de goma conductora que im-piden que el camin se cargue.

Descargas de electricidad esttica en fotografa

Las chispas de las descargas de electricidad esttica pueden velar negativos ypositivos fotogrficos. Actualmente ese percance es poco frecuente, porque las c-maras digitales y las mquinas automticas de revelado hicieron del laboratorioartesanal una rareza. Sin embargo, algunos, an lo utilizan por libertad artstica,o por gusto. Para evitar el velado por chispas, conviene usar calzado conductor, opintar el aislante con agua y glicerina. Las casas de artculos fotogrficos vendenpaos, pinzas, guantes y cepillos antiestticos, o sea hechos de material no total-mente aislante.

Algunos experimentadores producen a propsito esosefectos, con fines artsticos, y los llaman electrografas.Una variante que dio lugar a muchos comentarios es lafotografa inventada por el electricista ruso Semyon Da-vidovitch Kirlian a principios del siglo XX, primero conelectricidad esttica y tensin continua y, despus, contensiones alternas de gran frecuencia, del orden de loscien megahertz.6 Todava hay quienes aseguran que elefecto Kirlian revelara el alma de los seres vivientes, a laque llaman aura. Por ejemplo, quitan un pedazo a unahoja de planta y ven que la imagen Kirlian completa elcontorno, y cuando la hoja muere, se ve el verdadero con-torno. Pero en rigor ese efecto se debe slo a la humedad

de la hoja, y se puede reproducir con un papel comn hmedo y seco.


Copia positiva de unadescarga esttica re-gistrada directamen-te en un negativofotogrfico.

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El uso inexperto deextintores o matafue-gos de gas CO2 aveces agrava un in-cendio, al dispersar ellquido inflamado sinapagarlo. Un efectomenos conocido esque si la persona usacalzado aislante, conla salida del gas ad-quiere cargas estti-cas, que producenchispas y sacudidascuando despus setoca algo que est atierra.

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6 Por un efecto conocido como pelicular (skin effect), cuando la frecuencia es muy alta, la corriente circula por la su-perficie del cuerpo y no por la masa muscular; entonces no causa molestia.


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Trabajos con lneas vivas

Para poder usar cables no demasiado gruesos, y por eso caros y pesados, desdelos lugares de generacin hasta los de consumo la energa elctrica se transmite

con tensiones muy altas, por ejemplo500.000 volt.7 Por esas lneas circulan corrien-tes de hasta 2.500 ampere, y la potencia quetransmiten es, en algunos casos, de dos gigavolt,o lo que es equivalente, de unos dos mil millo-nes de kilovolt hora en cada hora transcurrida.El kilovolt hora se vende a unos quince centa-vos. Entonces, slo una hora de parada para

mantenimiento costara trescientos millones de pesos!, ocho pesos por habitante. El viento hamaca esos cables, y los deshila-

cha; por eso hay que examinarlos regularmentepara cambiar los tramos daados. Pero el costode una parada es enorme, entonces, esos traba-jos hay que hacerlos en vivo, con los operariostrepados a los cables a un potencial de mediomilln de volts con respecto a tierra, y a treintametros de altura, la de un edificio de diez pisos,adonde los llevan en helicptero. Y aqu apare-cen inconvenientes electrostticos.

En el momento en que la persona montada en el helicptero toca la lnea, re-cibira una descarga formidable, y no una sola vez, sino cien veces por segundo.

Eso es porque en la Argentina, Espaa y otros pases, la polaridad de las lneascambia cien veces por segundo,8 y en el mismo intervalo de tiempo, 120 veces enel Brasil, en los Estados Unidos y en otros lugares. Esas descargas producen noslo sacudidas molestas, sino tambin riesgos de salud y de vida, y quemaduras.

El procedimiento de rutina que aplican es el de conectar, antes que nada, elhelicptero a la lnea de alta tensin, con un cable flexible que termina en unamordaza. Ahora el cable y la nave estn al mismo potencial, y la persona puedetreparse a la lnea.


Al personal de mante-nimiento lo depositansobre las lneas vivascon la ayuda de heli-cpteros. Se elige unda de tiempo calmo.

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Cuando se dice queuna lnea es de 500 kV,se es el valor eficazde la tensin entredos grupos de cables,o fases. Entre cada fa -se y tierra hay 289 kVeficaces. Pero el valormximo instantneode la tensin entrefases es de 700 kV, yde 408 kV entre fase ytierra, positivos o ne-gativos en cada me -dio ciclo.(Los captulos 4 y 5explican estos con-ceptos.)

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7 El ritmo con el que se transfiere la energa es la potencia. La potencia elctrica, en watt, o joule por cada segundo,es igual al producto de la tensin, en volt, por la corriente, en ampere. Para la misma potencia, cuanto ms elevadaes la tensin, ms pequea resulta la corriente, y por eso ms fcil de conducir por cables que no sean demasiadogruesos.

8 En la Argentina usamos cincuenta hertz, o ciclos por segundo, y cada ciclo completo incluye un cambio de la polaridadde positiva a negativa, y el opuesto de negativa a positiva.

3U fase-tierraUmx =

2U eficazUmx =


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Una vez en ella, pide que se vaya el helicptero; con ello se desconecta la pinza. Enel momento de la conexin y la desconexin se produce un chisporroteo impresionante.

La tarea es arriesgada, pero brinda, como otras, importantes beneficios a la co-munidad. Hace unos aos las personas a cargo de esas tareas vestan ropa de alu-minio, para que en caso de error de maniobra las chispas no las quemasen. Hoyse usan otros materiales conductores ms cmodos, y adems porosos para facilitarla transpiracin; los tejen con fibras de carbono.

Efectos en la salud humana (reales y mticos) de la proximidadde cables de alta tensin

En 1996, unos vecinos enardecidos de Ezeiza, en la provincia de Buenos Aires,destruyeron una torre de alta tensin, con la creencia de que su campo produce cncer.9

An se discute, y en alto nivel, la supuesta influencia de las lneas de alta tensin en lasalud de las personas y, quiz nunca se llegue a un despachoindiscutible, por los intereses econmicos en juego. Es queesas lneas imponen lmites a la altura de las construcciones,con la consiguiente desvalorizacin del terreno.


Cable con arena in-crustada por elviento. El movimientoflexible hace quecada grano produzcala corrosin del metal.

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Los lugares dondems se daan los ca-bles es en la llamadamorsetera, o sea enlos agarres y empal-mes, donde se ponenunas piezas de goma,los amortiguadores,que ayudan a disiparla energa de las osci-laciones inducidaspor el viento, y evitanflexiones localizadasmuy pronunciadas.Son sin puntas y re-dondeados, para evi-tar la ionizacin delaire, causante de in-terferencias de radio.

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l Cmo treparse a una lnea de medio milln de volt sin in-terrumpir el servicio.

l Torre de alta tensin derribada por habitantes del barrio.

9 Un violento operativo de represin fue desplegado ayer por la Gendarmera Nacional en el partido bonaerense de Ezeizacuando numerosos vecinos se opusieron a la instalacin de torres de alta tensin elctrica en la zona. Siete personasresultaron heridas y otras cinco arrestadas. (...) Edesur afirm anoche que: ...no existe antecedente alguno sobre pro-blemas de salud vinculados con redes de transmisin de electricidad". (La Nacin, Buenos Aires, 6 de marzo de 1996.)

l La persona viste un traje de tejidoconductor conectado al helicpteroque la lleva. Toca la lnea con una varaconductora; conecta la nave a la lneacon un cable y clips; engancha suarns de seguridad en la lnea, se trepaa ella y desconecta el helicptero paraque se pueda ir. Sin esa maniobra, su-frira quemaduras y sacudidas por lasdescargas estticas.


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La comunidad cientfica no hall hasta hoy relacin entre enfermedades y esoscampos, cuya intensidad es miles de veces menor que cuando nos sacamos una ca-misa, hablamos por telfono, usamos un tubo fluorescente o nos secamos el pelo;y ms dbil que el campo magntico terrestre10 con el que convivimos desde hacedos millones de aos.

A veces se exhiben mapas y estadsticas que muestran una aparente coincidenciaentre el trazado de las lneas y casos de cncer. Pero las lneas elctricas abundan,justamente, en los lugares poblados, donde hay ms cncer, porque hay ms gente.

Es cierto, sin embargo, que los cables afean el paisaje, y que hay pases en losque casi no se ven, porque la mayora son subterrneos. Y cuando las lneas de altatensin son defectuosas o estn faltas de limpieza y mantenimiento, pueden pro-ducir interferencias en las comunicaciones, por ejemplo nieve en la TV de aire, ozumbidos en la radio.

La Organizacin Mundial de la Salud recomienda que la poblacin no se ex-ponga a intensidades de campo elctrico de ms de cinco kilovolt por metro, odiez si es por pocas horas diarias. Y a los portadores de marcapasos les pide que nose expongan nunca a ms de cinco kilovolt por metro.

PROPUESTAS DE ESTUDIO

3.1. La Repblica Argentina utiliza una potencia11 elctrica de unos quince giga-watt, o quince mil millones de watt, de los cuales dos gigawatt corresponden a laCiudad Autnoma de Buenos Aires. La energa de un rayo es de unos 500 mega-joule. Cunto tiempo nos durara la energa de un rayo, si se la pudiera aprovecharpara satisfacer la demanda nacional? (a) Menos de un segundo; (b) entre uno y diezsegundos; (c) entre diez segundos y un minuto; (d) entre un minuto y una hora;(e) ms de una hora.3.2. Las primeras bombas atmicas disiparon una energa de unos 15 kilotones.Un kilotn equivale al estallido de mil toneladas, o un milln de kilogramos, deexplosivo qumico trinitrotolueno (TNT). Cada kilogramo de este explosivo liberauna energa de mil caloras, o 4,2 millones de joule. En una tormenta se producenunos cuarenta mil rayos de 500 megajoule de energa cada uno. Cul energa esmayor, la de una antigua bomba atmica, o la de una tormenta elctrica? (a) Latormenta equivale a diez bombas; (b) la tormenta equivale a tres bombas; (c) latormenta y la bomba son de energas similares; (d) la bomba disipa tres veces msenerga que la tormenta; (e) la bomba equivale a diez tormentas.


La Organizacin Mun-dial de la Salud esparte de la Organiza-cin de las NacionesUnidas, y tuvo su pri-mera reunin en Gi-nebra, Suiza, en 1948.La comunidad inter-nacional suele respe-tar sus recomenda-ciones.

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Bola de plasma, quese usa como jugueteo adorno, cuyo cam -po elctrico en el p-blico excede cente-nares de veces el delas lneas de alta ten-sin.

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10Los campos magnticos y electromagnticos se tratan con ms detalle en los captulos 7, 8 y 9.11La potencia media, en watt, se calcula como el cociente entre la energa transferida, en joule, y el tiempo en el queocurre esa transferencia, en segundos.


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3.3. Comenten la presunta eficacia del paraguas con pararrayos incorporado, quealgunos usaron a fines del siglo XIX.3.4. Aunque la frmula exacta para un cable recto est fuera del alcance de estelibro, una aproximacin gruesa para calcular la intensidad de su campo elctricoes dividir la tensin por la distancia. La intensidad del campo elctrico al que estsometida una persona que viva seis metros por abajo de una lnea de 13,2 kV ex-cede el lmite recomendado por la Organizacin Mundial de la Salud?


Sugerimos buscar en la Red con las palabras electrosttica, inconvenientes, car-gas estticas, rayo, descargadores, fulmini, static, surge arresters y lightning.

El siguiente enlace contiene muchos datos expuestos por seis especialistas ar-gentinos reunidos en un seminario sobre estructuras de comunicaciones en mu-nicipios, realizado en el ao 2000 en el Centro Argentino de Ingenieros.

http://www.cnc.gov.ar/cit/pdf/segmunicipios.pdf


Caones inicos paralimpieza industrial yneutralizacin de car-gas de superficie. Elaire que sopla, cuyosgases han sido ioniza-dos, despega el polvo.Los iones se neutrali-zan con las cargasopuestas de la super-ficie contra la que sedirige el chorro deaire comprimido, quehay que proveerle alde arriba, que fun-ciona con 220 volt,pero internamente ge-nera 6.000. El otro an -da sin alimentacinelctrica; usa un fue-lle mecnico, y gene -ra algunos miles devolt con cristales pie-zoelctricos como losde los encendedores.

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Captulo 4

Fundamentos de electrodinmica

41

l Reactor experimental de fusin en laChina, destinado a la obtencin de ener-ga elctrica a partir de una reaccin nu-clear que transforma hidrgeno en helio.Para mantener en su sitio el chorro deplasma de hidrgeno a cien millones degrados, en rojo en el esquema, por lasbobinas circularon doscientos mil am-pere durante los tres segundos que durla primera prueba, en 2006.Esa clase de reaccin nuclear, semejantea la que ocurre en el Sol, no deja residuospeligrosos.

ELECTRICIDAD


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Corriente elctrica

La electrodinmica es el estudio de las corrientes elctricas, o sea el del movi-miento de las cargas.

Una corriente es el desplazamiento de cargas de cualquier clase; por ejemploelectrones en un conductor, en un lquido, en un gas o en el vaco, o bien protonesen los mismos medios. Tambin son corrientes los movimientos de cualesquieraiones1 positivos o negativos.

La corriente elctrica se mide y expresa en ampere. Un ampere es la corrienteen la que se transere un coulomb por cada segundo que transcurre. Si designamosla carga transferida (en coulomb) con la letra Q, el intervalo de tiempo (en segun-dos) con t, y la corriente (en ampere) con I, tenemos:

Para la corriente se usa I, porque esa magnitud se llama tambin intensidad decorriente, o intensidad a secas. La letra A es el smbolo de la unidad de corriente,el ampere, la C lo es de la unidad coulomb de carga,2 y la letra s simboliza el se-gundo de tiempo. El tringulo o delta mayscula griega equivale a nuestra D, ysignica diferencia, variacin o intervalo. Un ampere es un coulomb por segundo,3

y un coulomb, un ampere segundo.

Historia de la corriente

El hombre est familiarizado con las corrientes elctricas desde la antigedadms remota, a travs de las descargas de electricidad esttica acumulada, entre ellasel rayo. Pero los primeras experimentos con corrientes elctricas estables los hicie-ron Giuseppe Galvani (17371798) y Alessandro Volta (17451820).


Fundamentos de electrodinmica

ALGUNAS CORRIENTES, EN AMPERE

RayoCentralCables de torre BarrioEdificioTostadoraLmparaMosquitero PeligrosaDolorosa Molesta Nervio

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Una corriente de unampere equivale alpasaje de 6,24150975trillones de electro-nes (o bien protones)por segundo.

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I = Qt

1A= 1C1s

1 Recordemos que un ion es cualquier partcula con carga elctrica.2 La C de coulomb no se debe confundir con la C de capacitancia, tratada en el captulo 1. Puesto que hay ms magni-

tudes y unidades fsicas que letras de todos los alfabetos de lenguas vivas y muertas, es inevitable usar la mismaletra para cosas diferentes. El contexto permite distinguir los significados sin incurrir en errores.

3 La palabra por, en este caso, significa por cada. Algunos, para evitar confusiones, dicen coulomb sobre segundo; peronadie dice, por ejemplo, que paga por un servicio cien pesos sobre mes, o que visita a sus padres una vez sobre semana.

30.00020.0001.0003.0004005

0,50,10,030,0010,0001

0,000002


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Medicin de corrientes

Los instrumentos o aparatos destinados a medir la corriente elctrica, o sea losque indican cuntos ampere (o fracciones de ampere) circulan por un conductor,se llaman ampermetros. Tambin se usan los nombres miliampermetro, microam-permetro, nanoampermetro o kiloampermetro, segn la escala o rango de uso decada uno. Estos aparatos aprovechan algn efecto de la corriente elctrica, por ejem-plo el de hacerle fuerza a un imn,4 el de calentar el alambre por el que circula, o elde generar una diferencia de potencial, o tensin (en este caso llamada cada de ten-sin), en el conductor por el que circula la corriente; entonces la medicin de co-rriente se realiza en este caso indirectamente, a travs de una medicin de tensin.

Se desea que el acto de medir altere muy poco la magnitud que se mide. As pues, unampermetro debera ser muy parecido a un simple trozo de buenconductor. Para tener presente ese concepto, el smbolo que se empleapara representar un ampermetro es una A encerrada en un crculo,del que salen dos conductores gruesos diametralmente opuestos.

Si por alguna razn se quitase un ampermetro de su sitio,habra que conectar entre s los cables que haba en sus tornillos de conexin, obornes, para que la corriente pueda seguir circulando con la misma facilidad conque lo haca a travs del instrumento, o mayor. Un buen ampermetro no se debeoponer al paso de la corriente; la resistencia5 que le opone debe ser mnima.

El cero de un ampermetro puede estar a la izquierda de la escala, o en otrositio, si se lo usa para medir corrientes de sentidos opuestos.

Medicin de tensiones

Los instrumentos para medir la tensin o diferencia de potencial elctrico entredos puntos se llaman voltmetros. Los hay de muy diversos tipos. Los ms comunes

43F u n d amen t o s d e e l e c t r o d i n m i c a

Ampermetro que in-dica la carga y des-carga de una baterade coche. Tiene unabobina de pocas vuel-tas de alambre muygrueso de cobre, unimn y un resorte.Segn el sentido de lacorriente, el imn seinclina hacia un ladoo hacia el opuesto.(abajo, el esquema).

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Shunt para medir co-rrientes de centena-res de ampere, quepasan por los termi-nales grandes. Entrelos pequeos se pro-duce una cada de al-gunos milivolt, fcilesde medir.

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4 Los efectos magnticos de las corrientes se estudian en los captulos 8 y 9; aqu anticipamos una referencia a esefenmeno.

5 Enseguida hablaremos con mayor precisin de la resistencia elctrica.

lAmpermetro trmico. Cuandocircula corriente por el alambrehorizontal, se calienta, se dilata(aumenta su longitud), se aflojay permite que gire la aguja, fijaa una rueda pequea rodeadapor un hilo tenso.

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y antiguos, que todava se usan, se parecen a los ampermetros, pero en vez de equi-valer a un alambre grueso que deja pasar la corriente sin ninguna di-cultad, ofrecen, al contrario, mucha resistencia, por lo que las corrientesque los atraviesan son dbiles (idealmente nulas), y por eso no alteranmayormente las condiciones de los circuitos o aparatos a los que se co-nectan. Para reforzar esa idea, se los representa con una V encerrada enun crculo, del que salen dos conductores delgados por abajo.

Si por alguna razn se retirase un voltmetro de donde est conectado, simple-mente se lo saca, no hay que hacer ninguna conexin como cuando se quita unampermetro.

Hay voltmetros que realmente no toman ninguna co-rriente elctrica, con lo que su presencia no altera en absolutolo que se mide. Algunos necesitan de pilas, o una alimenta-cin auxiliar. Otros, que hoy son aparatos de museo, no re-quieren energa extra, por ejemplo el de la gura. D

Electricidad y Electronica - Agustin Rela

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