Electroscopio: qué es, historia, cómo funciona, para qué sirve
¿Qué es un electroscopio?
Un electroscopio es un dispositivo utilizado para detectar la existencia de cargas eléctricas en objetos cercanos. También indica el signo de la carga eléctrica; es decir, si se trata de una carga negativa o positiva. Este instrumento está conformado por una vara metálica confinada dentro de una botella de vidrio.
Esta vara posee dos laminas metálicas muy delgadas (oro o aluminio) conectadas en su parte más baja. A su vez, esta estructura está sellada con una tapa de material aislante, y en el extremo superior tiene una pequeña esfera denominada “colector”.
Al acercar un objeto cargado eléctricamente a un electroscopio, pueden presenciarse dos tipos de reacciones por parte de las laminillas metálicas que se encuentran en el extremo inferior de la configuración: si las laminillas se separan entre sí quiere decir que el objeto tiene la misma carga eléctrica que el electroscopio.
En cambio, si las laminillas se juntan es indicativo de que el objeto tiene una carga eléctrica opuesta a la carga del electroscopio. La clave está en cargar el electroscopio con una carga eléctrica de signo conocido; así, por descarte será factible deducir el signo de la carga eléctrica del objeto que acerquemos al dispositivo.
Los electroscopios son sumamente útiles para determinar si un cuerpo está cargado eléctricamente, además de dar indicios sobre el signo de la carga y la intensidad de la misma.
Historia
El electroscopio fue inventado por el médico y físico inglés William Gilbert, quien se desempeñó como físico de la monarquía inglesa durante el reinado de la reina Isabel I.
Gilbert también es conocido como “el padre del electromagnetismo y la electricidad” gracias a sus grandes aportes a la ciencia durante el siglo XVII. Construyó el primer electroscopio conocido en el año 1600, con la finalidad de profundizar en sus experimentos sobre cargas electrostáticas.
El primer electroscopio, denominado versorium, era un dispositivo constituido por una aguja metálica, la cual giraba libremente sobre un pedestal.
La configuración del versorium era muy similar a la de la aguja de una brújula, pero en este caso la aguja no estaba magnetizada. Los extremos de la aguja estaban visualmente diferenciados entre sí; además, uno de los extremos de la aguja tenía carga positiva y el otro tenía carga negativa.
El mecanismo de acción del versorium se fundamentaba en las cargas inducidas en los extremos de la aguja, mediante la inducción electrostática. Así, dependiendo del extremo de la aguja que se encontrase más cerca del objeto aledaño, la reacción de ese extremo sería apuntar o repeler el objeto con la aguja.
Si el objeto tenía carga positiva, las cargas móviles negativas en el metal se sentirían atraídas hacia el objeto, y el extremo con carga negativa apuntaría hacia el cuerpo que induce la reacción en el versorium.
En caso contrario, si el objeto tenía carga negativa, el polo atraído hacia el objeto sería el extremo positivo de la aguja.
Evolución
A mediados de 1782 el destacado físico italiano Alessandro Volta (1745-1827) construyó el electroscopio de condensación, el cual tenía una importante sensibilidad para detectar cargas eléctricas que los electroscopios de entonces no detectaban.
Sin embargo, el mayor avance del electroscopio vino de la mano del matemático y astrónomo alemán Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831), quien inventó el electroscopio de láminas de oro.
La configuración de este electroscopio es muy parecía a la estructura que se conoce hoy en día: el dispositivo estaba conformado por una campana de cristal que tenía una esfera metálica en el extremo superior.
A su vez, esta esfera estaba conectada a través de un conductor a dos láminas de oro muy delgadas. Los “panes de oro” se separaban o unían entre sí al acercarse un cuerpo cargado electrostáticamente.
¿Cómo funciona un electroscopio?
Un electroscopio es un dispositivo empleado para detectar la electricidad estática en objetos cercanos, haciendo uso del fenómeno de separación de sus laminillas internas debido a la repulsión electrostática.
La electricidad estática puede estar acumulada en la superficie externa de cualquier cuerpo, bien sea por carga natural o por frotamiento.
El electroscopio está diseñado para detectar la presencia de este tipo de cargas, debido a la transferencia de electrones de superficies muy cargadas a superficies menos cargadas eléctricamente. Además, dependiendo de la reacción de las laminillas, también pudiese proporcionar una idea de la magnitud de la carga electrostática del objeto aledaño.
La esfera localizada en la parte superior del electroscopio funciona como un ente receptor de la carga eléctrica del objeto de estudio.
Al acercar un cuerpo cargado eléctricamente al electroscopio, este adquirirá la misma carga eléctrica del cuerpo; es decir, si acercamos un objeto cargado eléctricamente con signo positivo, el electroscopio adquirirá la misma carga.
Si el electroscopio se carga previamente con una carga eléctrica conocida, sucederá lo siguiente:
- Si el cuerpo tiene la misma carga, las laminillas metálicas que se encuentran en el interior del electroscopio se separarán entre sí, ya que ambas se repelerán.
- En contraposición, si el objeto tiene carga opuesta las laminillas metálicas en el fondo de la botella se mantendrán unidas entre sí.
Las laminillas en el interior del electroscopio deben ser muy ligeras, para que el peso de las mismas se equilibre con la acción de las fuerzas de repulsión electrostática. Así, al alejar el objeto de estudio del electroscopio, las laminillas perderán la polarización y volverán a su estado natural (cerradas).
¿Cómo se carga eléctricamente?
El hecho de cargar al electroscopio eléctricamente es necesario para poder determinar la naturaleza de la carga eléctrica del objeto que acercaremos al dispositivo. Si no se conoce la carga del electroscopio con anticipación, será imposible determinar si la carga del objeto es igual u opuesta a dicha carga.
Antes de cargar el electroscopio, este debe encontrarse en estado neutro; es decir, con igual número de protones y electrones en su interior. Por esto se sugiere conectar el electroscopio a tierra antes de realizar la carga, para asegurar la neutralidad de la carga del dispositivo.
La descarga del electroscopio puede realizarse tocándolo con un objeto metálico, para que este último drene hacia tierra la carga eléctrica existente dentro del electroscopio.
Se distinguen dos modalidades para cargar a un electroscopio antes de ponerlo a prueba. A continuación se detallan los aspectos más relevantes de cada una de estas.
Por inducción
Se trata de cargar al electroscopio sin establecer contacto directo con el mismo; es decir, solo aproximando un objeto cuya carga sea conocida a la esfera receptora.
Por contacto
Al tocar la esfera receptora del electroscopio directamente con un objeto con carga conocida.
¿Para qué sirve un electroscopio?
Los electroscopios son utilizados para determinar si un cuerpo está cargado eléctricamente, y distinguir si posee carga negativa o carga positiva. Actualmente los electroscopios son utilizados en el ámbito experimental, para ejemplificar con su uso la detección de cargas electrostáticas en cuerpos cargados eléctricamente.
Algunas de las funciones más destacadas de los electroscopios son las siguientes:
- Detección de cargas eléctricas en objetos cercanos. Si el electroscopio reacciona al acercamiento de un cuerpo, es porque este último se encuentra cargado eléctricamente.
- Discriminación del tipo de carga eléctrica que poseen los cuerpos cargados eléctricamente, al evaluar la apertura o cierre de las laminillas metálicas del electroscopio, dependiendo de la carga eléctrica inicial del electroscopio.
- El electroscopio también se utiliza para medir la radiación del ambiente en caso de que exista material radioactivo alrededor, debido al mismo principio de inducción electrostática.
- Este dispositivo también puede emplearse para medir la cantidad de iones que están presentes en el aire, al evaluar la velocidad de carga y descarga del electroscopio dentro de un campo eléctrico controlado.
Hoy en día los electroscopios son ampliamente utilizados en prácticas de laboratorio en escuelas y universidades, para demostrar a los estudiantes de diversos niveles educativos el uso de este dispositivo como detector de cargas electrostáticas.
¿Cómo hacer un electroscopio casero?
Es muy sencillo elaborar un electroscopio casero. Los elementos necesarios son de fácil adquisición y el ensamblaje del electroscopio es bastante rápido.
A continuación se enumeran los utensilios y materiales que se necesitan para construir un electroscopio casero:
- Una botella de vidrio. Es necesario que esté limpia y muy seca.
- Un corcho para sellar herméticamente la botella.
- Un hilo de cobre de calibre 14.
- Un alicate.
- Una tijera.
- Papel de aluminio.
- Una regla.
- Un globo.
- Un paño de lana.
Procedimiento
Paso 1
Corta el hilo de cobre hasta obtener una sección de que supere aproximadamente en 20 centímetros el largo del envase.
Paso 2
Riza uno de los extremos del hilo de cobre, haciendo una especie de espiral. Esta parte hará las funciones de la esfera detectora de carga electrostática.
Este paso es muy importante, ya que la espiral facilitará la transmisión de electrones del cuerpo de estudio hacia el electroscopio, debido a la existencia de un área superficial mayor.
Paso 3
Atraviesa el corcho con el hilo de cobre. Asegúrate de que la parte rizada quede hacia la parte superior del electroscopio.
Paso 4
Realiza una curvatura leve en el extremo inferior del hilo de cobre, en forma de L.
Paso 5
Corta las dos laminillas de aluminio en forma de triángulos de aproximadamente 3 centímetros de base. Es importante que ambos triángulos sean idénticos.
Asegúrate de que las laminillas sean lo suficientemente pequeñas como para no entrar en contacto con las paredes internas de la botella.
Paso 6
Incluye un pequeño orificio en la esquina superior de cada laminilla e inserta ambos trozos de aluminio en el extremo inferior de hilo de cobre.
Trata de mantener las laminillas de papel de aluminio lo más lisas posibles. Si los triángulos de aluminio se rompen o se arrugan demasiado, es mejor repetir las muestras hasta obtener el efecto deseado.
Paso 7
Coloca el corcho en el borde superior de la botella, con mucho cuidado para que las laminillas de aluminio no se deterioren ni se pierda el montaje realizado.
Es sumamente importante que ambas laminillas estén en contacto al cerrar herméticamente el envase. En caso de que no sea así, entonces deberás modificar el doblez del hilo de cobre hasta que las láminas se toquen entre sí.
Prueba tu electroscopio
Para probarlo puedes aplicar las nociones teóricas descritas previamente a lo largo del artículo, tal como se detalla a continuación:
- Asegúrate que el electroscopio no esté cargado: para ello, tócalo con una varilla metálica para erradicar cualquier carga remanente en el dispositivo.
- Carga eléctricamente un objeto: frota un globo contra un paño de lana para cargar la superficie del globo de carga electrostática.
- Acerca el objeto cargado a la espiral de cobre: con esta práctica el electroscopio se cargará por inducción, y los electrones del globo serán transferidos al electroscopio.
- Observa la reacción de las laminillas metálicas: los triángulos de papel de aluminio se alejarán uno del otro, ya que ambas láminas comparten carga del mismo signo (negativo en este caso).
Trata de realizar este tipo de pruebas en días secos, ya que la humedad suele afectar este tipo de experimentaciones caseros porque dificulta el paso de electrones de una superficie a otra.