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Física Universitaria Volumen 2

7.6 Aplicaciones de la electrostática

Física Universitaria Volumen 27.6 Aplicaciones de la electrostática
  1. Prefacio
  2. Termodinámica
    1. 1 Temperatura y calor
      1. Introducción
      2. 1.1 Temperatura y equilibrio térmico
      3. 1.2 Termómetros y escalas de temperatura
      4. 1.3 Dilatación térmica
      5. 1.4 Transferencia de calor, calor específico y calorimetría
      6. 1.5 Cambios de fase
      7. 1.6 Mecanismos de transferencia de calor
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    2. 2 Teoría cinética de los gases
      1. Introducción
      2. 2.1 Modelo molecular de un gas ideal
      3. 2.2 Presión, temperatura y velocidad media cuadrática (rms)
      4. 2.3 Capacidad calorífica y equipartición de energía
      5. 2.4 Distribución de las velocidades moleculares
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 3 Primera ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 3.1 Sistemas termodinámicos
      3. 3.2 Trabajo, calor y energía interna
      4. 3.3 Primera ley de la termodinámica
      5. 3.4 Procesos termodinámicos
      6. 3.5 Capacidades térmicas de un gas ideal
      7. 3.6 Procesos adiabáticos para un gas ideal
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 4 Segunda ley de la termodinámica
      1. Introducción
      2. 4.1 Procesos reversibles e irreversibles
      3. 4.2 Máquinas térmicas
      4. 4.3 Refrigeradores y bombas de calor
      5. 4.4 Enunciados de la segunda ley de la termodinámica
      6. 4.5 El ciclo de Carnot
      7. 4.6 Entropía
      8. 4.7 Entropía a escala microscópica
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  3. Electricidad y magnetismo
    1. 5 Cargas y campos eléctricos
      1. Introducción
      2. 5.1 Carga eléctrica
      3. 5.2 Conductores, aislantes y carga por inducción
      4. 5.3 Ley de Coulomb
      5. 5.4 Campo eléctrico
      6. 5.5 Cálculo de los campos eléctricos de las distribuciones de carga
      7. 5.6 Líneas de campo eléctrico
      8. 5.7 Dipolos eléctricos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
    2. 6 Ley de Gauss
      1. Introducción
      2. 6.1 Flujo eléctrico
      3. 6.2 Explicar la ley de Gauss
      4. 6.3 Aplicación de la ley de Gauss
      5. 6.4 Conductores en equilibrio electrostático
      6. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    3. 7 Potencial eléctrico
      1. Introducción
      2. 7.1 Energía potencial eléctrica
      3. 7.2 Potencial eléctrico y diferencia de potencial
      4. 7.3 Cálculo del potencial eléctrico
      5. 7.4 Determinación del campo a partir del potencial
      6. 7.5 Equipotential Surfaces and Conductors
      7. 7.6 Aplicaciones de la electrostática
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    4. 8 Capacitancia
      1. Introducción
      2. 8.1 Condensadores y capacitancia
      3. 8.2 Condensadores en serie y en paralelo
      4. 8.3 Energía almacenada en un condensador
      5. 8.4 Condensador con dieléctrico
      6. 8.5 Modelo molecular de un dieléctrico
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    5. 9 Corriente y resistencia
      1. Introducción
      2. 9.1 Corriente eléctrica
      3. 9.2 Modelo de conducción en metales
      4. 9.3 Resistividad y resistencia
      5. 9.4 Ley de Ohm
      6. 9.5 Energía eléctrica y potencia
      7. 9.6 Superconductores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    6. 10 Circuitos de corriente directa
      1. Introducción
      2. 10.1 Fuerza electromotriz
      3. 10.2 Resistores en serie y en paralelo
      4. 10.3 Reglas de Kirchhoff
      5. 10.4 Instrumentos de medición eléctrica
      6. 10.5 Circuitos RC
      7. 10.6 Cableado doméstico y seguridad eléctrica
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    7. 11 Fuerzas y campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 11.1 El magnetismo y sus descubrimientos históricos
      3. 11.2 Campos y líneas magnéticas
      4. 11.3 Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético
      5. 11.4 Fuerza magnética sobre un conductor portador de corriente
      6. 11.5 Fuerza y torque en un bucle de corriente
      7. 11.6 El efecto Hall
      8. 11.7 Aplicaciones de las fuerzas y campos magnéticos
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    8. 12 Fuentes de campos magnéticos
      1. Introducción
      2. 12.1 La ley de Biot-Savart
      3. 12.2 Campo magnético debido a un cable recto delgado
      4. 12.3 Fuerza magnética entre dos corrientes paralelas
      5. 12.4 Campo magnético de un bucle de corriente
      6. 12.5 Ley de Ampère
      7. 12.6 Solenoides y toroides
      8. 12.7 El magnetismo en la materia
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    9. 13 Inducción electromagnética
      1. Introducción
      2. 13.1 Ley de Faraday
      3. 13.2 Ley de Lenz
      4. 13.3 Fuerza electromotriz (emf) de movimiento
      5. 13.4 Campos eléctricos inducidos
      6. 13.5 Corrientes de Foucault
      7. 13.6 Generadores eléctricos y fuerza contraelectromotriz
      8. 13.7 Aplicaciones de la inducción electromagnética
      9. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    10. 14 Inductancia
      1. Introducción
      2. 14.1 Inductancia mutua
      3. 14.2 Autoinducción e inductores
      4. 14.3 Energía en un campo magnético
      5. 14.4 Circuitos RL
      6. 14.5 Oscilaciones en un circuito LC
      7. 14.6 Circuitos RLC en serie
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    11. 15 Circuitos de corriente alterna
      1. Introducción
      2. 15.1 Fuentes de ac
      3. 15.2 Circuitos simples de ac
      4. 15.3 Circuitos en serie RLC con ac
      5. 15.4 Potencia en un circuito de ac
      6. 15.5 Resonancia en un circuito de ac
      7. 15.6 Transformadores
      8. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
    12. 16 Ondas electromagnéticas
      1. Introducción
      2. 16.1 Ecuaciones de Maxwell y ondas electromagnéticas
      3. 16.2 Ondas electromagnéticas planas
      4. 16.3 Energía transportada por las ondas electromagnéticas
      5. 16.4 Momento y presión de radiación
      6. 16.5 El espectro electromagnético
      7. Revisión Del Capítulo
        1. Términos Clave
        2. Ecuaciones Clave
        3. Resumen
        4. Preguntas Conceptuales
        5. Problemas
        6. Problemas Adicionales
        7. Problemas De Desafío
  4. A Unidades
  5. B Factores de conversión
  6. C Constantes fundamentales
  7. D Datos astronómicos
  8. E Fórmulas matemáticas
  9. F Química
  10. G El alfabeto griego
  11. Clave de Respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
  12. Índice

Objetivos De Aprendizaje

Al final de esta sección, estará en capacidad de:

  • Describir algunas de las muchas aplicaciones prácticas de la electroestática, incluyendo varias tecnologías de impresión
  • Relacionar estas aplicaciones con la segunda ley de Newton y la fuerza eléctrica

El estudio de la electroestática ha resultado útil en muchos ámbitos. Este módulo cubre solo algunas de las muchas aplicaciones de la electroestática.

El generador Van de Graaff

Los generadores de Van de Graaff (o Van de Graaffs) no solo son aparatos espectaculares utilizados para demostrar el alto voltaje debido a la electricidad estática, sino que también se utilizan para la investigación seria. El primero construyó Robert Van de Graaff en 1931 (basado en las sugerencias originales de Lord Kelvin) para su uso en la investigación de la física nuclear. La Figura 7.41 muestra un esquema de una versión de investigación de gran tamaño. Los Van de Graaffs utilizan tanto superficies lisas como puntiagudas, y conductores y aislantes para generar grandes cargas estáticas y, por tanto, grandes voltajes.

Se puede depositar un exceso de carga muy grande en la esfera porque se desplaza rápidamente hacia la superficie exterior. Los límites prácticos surgen porque los grandes campos eléctricos polarizan y acaban por ionizar los materiales circundantes, creando cargas libres que neutralizan el exceso de carga o permiten que se escape. Sin embargo, los voltajes de 15 millones de voltios están muy dentro de los límites prácticos.

La figura muestra el esquema del generador de Van de Graaff.
Figura 7.41 Esquema del generador Van de Graaff. Una batería (A) suministra un exceso de carga positiva a un conductor puntiagudo, cuyas puntas pulverizan la carga sobre una cinta aislante en movimiento cerca del fondo. El conductor puntiagudo(B) situado en la parte superior de la gran esfera recoge la carga. (El campo eléctrico inducido en los puntos es tan grande que elimina la carga de la correa). Esto puede hacerse porque la carga no permanece dentro de la esfera conductora, sino que se desplaza hacia su superficie exterior. Una fuente de iones dentro de la esfera produce iones positivos, que son acelerados fuera de la esfera positiva a altas velocidades.

Xerografía

La mayoría de las fotocopiadoras utilizan un proceso electroestático denominado xerografía, palabra acuñada a partir de las palabras griegas xeros, que significa seco, y graphos, que significa escritura. El núcleo del proceso se muestra de forma simplificada en la Figura 7.42.

La figura ilustra las cuatro etapas de la xerografía: carga del tambor, imagen positiva en el tambor, tóner adherido a la imagen y tóner extraído del tambor por el papel altamente cargado.
Figura 7.42 La xerografía es un proceso de copia en seco basado en la electroestática. Las principales etapas del proceso son la carga del tambor fotoconductor, la transferencia de una imagen, la creación de un duplicado de carga positiva, la atracción del tóner a las partes cargadas del tambor y la transferencia del tóner al papel. No se muestra el tratamiento térmico del papel y la limpieza del tambor para la siguiente copia.

Un tambor de aluminio recubierto de selenio se rocía con carga positiva desde los puntos de un dispositivo llamado corotrón. El selenio es una sustancia con una interesante propiedad: es un fotoconductor. Es decir, el selenio es un aislante cuando está en la oscuridad y un conductor cuando está expuesto a la luz.

En la primera etapa del proceso de xerografía, el tambor de aluminio conductor se conecta a tierra para que se induzca una carga negativa bajo la fina capa de selenio uniformemente cargada positivamente. En la segunda etapa, la superficie del tambor se expone a la imagen de lo que se va a copiar. En los lugares donde la imagen es ligera, el selenio se convierte en conductor y la carga positiva se neutraliza. En las zonas oscuras, la carga positiva permanece, por lo que la imagen se ha transferido al tambor.

La tercera etapa toma un polvo negro seco, llamado tóner, y lo rocía con una carga negativa para que las regiones positivas del tambor lo atraigan. A continuación, a un papel en blanco se le da una carga positiva mayor que la del tambor, de modo que este extraiga el tóner del tambor. Por último, el papel y el tóner que se mantiene electrostáticamente pasan por rodillos de presión calentados, que funden y adhieren permanentemente el tóner a las fibras del papel.

Impresoras láser

Las impresoras láser utilizan el proceso xerográfico para crear imágenes de alta calidad en el papel, empleando un láser para producir una imagen en el tambor fotoconductor, como se muestra en la Figura 7.43. En su aplicación más común, la impresora láser recibe la salida de un computador y puede lograr una salida de alta calidad debido a la precisión con la que se puede controlar la luz láser. Muchas impresoras láser realizan un importante procesamiento de la información, como la elaboración de letras o fuentes sofisticadas, y en el pasado podían tener un computador más potente que el que les proporcionaba los datos brutos a imprimir.

La figura ilustra el proceso de impresión láser, mostrando el tambor, la trayectoria del láser, la región cargada restante y el computador, el láser y la óptica.
Figura 7.43 En una impresora láser, se escanea un rayo láser a través de un tambor fotoconductor, dejando una imagen cargada positivamente. Los demás pasos para cargar el tambor y transferir la imagen al papel son los mismos que en la xerografía. La luz láser puede controlarse con gran precisión, lo que permite a las impresoras láser producir imágenes de alta calidad.

Impresoras de inyección de tinta y pintura electroestática

La impresora de inyección de tinta, utilizada habitualmente para imprimir textos y gráficos generados por computador, también emplea la electroestática. Una boquilla produce una fina pulverización de pequeñas gotas de tinta, a las que se les aplica una carga electroestática (Figura 7.44).

Una vez cargadas, las gotas pueden dirigirse, mediante pares de placas cargadas, con gran precisión para formar letras e imágenes en el papel. Las impresoras de inyección de tinta pueden producir imágenes en color utilizando un chorro negro y otros tres chorros con colores primarios, normalmente cian, magenta y amarillo, de forma parecida a como lo hace una televisión en color. (Esto es más difícil con la xerografía, que requiere múltiples tambores y tóneres).

La figura ilustra el proceso de impresión por inyección de tinta con el canalón, el depósito de tinta, la boquilla de tinta, el electrodo de carga, las placas de desviación y el papel.
Figura 7.44 La boquilla de una impresora de inyección de tinta produce pequeñas gotas de tinta que se pulverizan con carga electroestática. A continuación, se utilizan varios dispositivos informáticos para dirigir las gotas a las posiciones correctas en una página.

La pintura electroestática emplea la carga para rociar pintura sobre superficies de formas extrañas. La repulsión mutua de las cargas similares hace que la pintura se aleje de su origen. La tensión superficial forma gotas, que luego son atraídas por cargas diferentes a la superficie a pintar. La pintura electroestática puede llegar a lugares de difícil acceso, aplicando una capa uniforme de forma controlada. Si el objeto es un conductor, el campo eléctrico es perpendicular a la superficie, tendiendo a traer las gotas perpendicularmente. Las esquinas y los puntos de los conductores recibirán pintura adicional. El fieltro puede aplicarse de forma similar.

Precipitadores de humo y limpieza electroestática del aire

Otra aplicación importante de la electroestática se encuentra en los limpiadores de aire, tanto grandes como pequeños. La parte electroestática del proceso coloca un exceso de carga (normalmente positiva) en el humo, el polvo, el polen y otras partículas del aire y, a continuación, hace pasar el aire por una rejilla con carga opuesta que atrae y retiene las partículas cargadas (Figura 7.45)

Los precipitadores electroestáticos grandes se utilizan en la industria para eliminar el más del 99%99% de las partículas procedentes de las emisiones de gases de chimenea asociadas a la combustión de carbón y petróleo. Los precipitadores domésticos, a menudo en combinación con el sistema de calefacción y aire acondicionado del hogar, son muy eficaces para eliminar las partículas contaminantes, los agentes irritantes y los alérgenos.

La parte a muestra el esquema de un precipitador electroestático con cuatro filtros: filtro inicial, rejilla de carga positiva, rejilla de carga negativa y filtro final. La foto de la parte b muestra una central eléctrica en un río para ilustrar el efecto de los precipitadores electroestáticos.
Figura 7.45 (a) Esquema de un precipitador electrorestático. El aire pasa por rejillas de carga opuesta. La primera rejilla carga las partículas suspendidas en el aire, mientras que la segunda las atrae y las recoge. (b) El dramático efecto de los precipitadores electroestáticos se aprecia en la ausencia de humo de esta central eléctrica. (crédito b: modificación del trabajo de "Cmdalgleish"/Wikimedia Commons)
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