El día de hoy llegamos al final de esta serie que comenzamos a desarrollar varias semanas atrás sobre la ley de Gauss. Como ya sabemos la física como una ciencia natural, su explicación se centra en la experimentación es por ello que esta ocasión y para terminar, hablaremos sobre cómo podemos explicar experimentalmente dicha ley.
Imagen realizada con la página web de diseño gráfico y composición de imágenes Canva.
En muchos textos sobre este tema se nos presenta un experimento histórico por así decirlo; el mismo consiste en un recipiente conductor, algo parecido a una cubeta metálica con tapa, que se coloca sobre un soporte aislante. Al principio, el recipiente no debe tener carga, después se cuelga de un hilo aislante una esfera metálica con carga, como se ve en el diagrama a continuación.
Luego bajamos la esfera al interior de la cubeta y se le coloca la tapa; se introducen cargas en las paredes del recipiente y seguidamente se permite que la esfera toque la pared interior.
La superficie de la esfera se convierte, en efecto, en parte superior de la cavidad. Ahora resulta que si la ley de Gauss es correcta, la carga neta en la superficie de la cavidad es cero; por lo que, la esfera debería perder toda su carga. Ya por último, sacamos la esfera de la cubeta y nos encontraremos que ha perdido efectivamente toda su carga.
El experimento que hemos expuesto, fue realizado por el científico británico Michael Faraday en el siglo XIX, empleando un recipiente metálico para hielo con tapa, y se le conoce comúnmente como el experimento del recipiente de hielo de Faraday el resultado de dicho experimento confirma la validez de la ley de Gauss, y por lo tanto la ley de coulomb. Cabe resaltar que el experimento realizado por Faraday fue de suma importancia en este campo, ya que el método experimental realizado por Coulomb, en el que empleaba una balanza de torsión y dividía las cargas, no era muy preciso; resulta muy difícil confirmar con gran precisión la dependencia respecto a 1/r exp 2 de la fuerza electrostática por mediciones directas de fuerzas. En cambio el experimento de Michael Faraday pone a prueba la validez de la ley de Gauss, y por ende, el de la ley de Coulomb, con una mayor precisión.
En este caso la función es colocar carga en la esfera externa y quitarla. Una caja interna con un cuadrante es un electrómetro sensible, el cual es un instrumento capaz de detectar el movimiento de cantidades extremadamente pequeñas de carga entre las esferas externa e interna. Si de verdad la ley de Gauss es correcta nunca deberá haber carga en la superficie interna de la esfera externa. De lo contrario, no debería haber flujo de carga entre las esferas cuando se carga o descarga la esfera externa; pero el simple hecho de que no se observe flujo alguno es una confirmación muy sensible de la ley de Gauss, y por ende, la ley de Coulomb.
Ahora bien, la precisión de dicho experimento se encuentra limitada básicamente por el electrómetro, que puede ser poderosamente sensible, y se ha logrado demostrar que el exponente 2 del cociente 1/r exp 2 de la ley de Coulomb no difiere de precisamente 2 en màs de 10 exp -16, es por ello que no hay razón para dudar que no sea otra cosa que exactamente 2.
El mismo principio del experimento anterior es en el que se basa el generador electrostático Van de Graaff. En el cual una esfera conductora con carga se sustituye por una banda con carga que lleva carga continuamente al interior de un casco conductor, esto con el fin de que sea transportada a la superficie exterior del casco. Como resultado de esto, la carga del casco y el campo eléctrico que lo rodea pueden llegar a ser muy grandes y con gran rapidez. El generador de Van de Graff es un dispositivo que se utiliza como acelerador de partículas con carga y para realizar demostraciones experimentales en clases de física, ya que su construcción es un procedimiento sencillo y relativamente económico.
Fuente: Zemansky (2009)Referencias
Figuera, J. (2009). Física, Texto y problemario. Caracas: Ediciones CO-BO.
Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.
Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.
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