El electroscopio es un instrumento científico antiguo utilizado para detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo. Detecta la carga mediante el movimiento de un objeto de prueba debido a la fuerza electrostática de Coulomb sobre él. La cantidad de carga en un objeto es proporcional a su voltaje . La acumulación de suficiente carga para detectar con un electroscopio requiere cientos o miles de voltios, por lo que los electroscopios se utilizan con fuentes de alto voltaje como la electricidad estática y las máquinas electrostáticas . Un electroscopio solo puede dar una indicación aproximada de la cantidad de carga; un instrumento que mide la carga eléctrica cuantitativamente se llama electrómetro .
El electroscopio fue el primer instrumento de medición eléctrica . El primer electroscopio fue una aguja pivotante (llamada versorium ), inventada por el médico británico William Gilbert alrededor de 1600. [1] [2] El electroscopio de bolas de médula y el electroscopio de hoja de oro son dos tipos clásicos de electroscopio [2] que todavía se utilizan en la enseñanza de la física para demostrar los principios de la electrostática . También se utiliza un tipo de electroscopio en el dosímetro de radiación de fibra de cuarzo . Los electroscopios fueron utilizados por el científico austríaco Victor Hess en el descubrimiento de los rayos cósmicos .
En 1731, Stephen Gray utilizó un simple hilo colgante que se atraía hacia cualquier objeto cargado cercano. Esta fue la primera mejora del versorium de Gilbert de 1600. [3]
El electroscopio de bolas de médula, inventado por el maestro de escuela y físico británico John Canton en 1754, consiste en una o dos pequeñas bolas de una sustancia ligera no conductora, originalmente un material vegetal esponjoso llamado médula , [4] suspendidas por hilo de seda o lino del gancho de un soporte aislado . [5] Tiberius Cavallo fabricó un electroscopio en 1770 con bolas de médula en el extremo de cables de plata. [3] Los electroscopios modernos suelen utilizar bolas hechas de plástico. Para comprobar la presencia de una carga en un objeto, el objeto se acerca a la bola de médula sin carga. Si el objeto está cargado, la bola será atraída hacia él y se moverá hacia él.
La atracción se produce debido a la polarización inducida [6] de los átomos dentro de la bola de médula. [7] [8] [9] [10] Toda la materia consta de partículas cargadas eléctricamente ubicadas cerca unas de otras; cada átomo consta de un núcleo cargado positivamente con una nube de electrones cargados negativamente que lo rodea. La médula es un no conductor , por lo que los electrones en la bola están unidos a los átomos de la médula y no son libres de dejar los átomos y moverse en la bola, pero pueden moverse un poco dentro de los átomos. Vea el diagrama. Si, por ejemplo, un objeto cargado positivamente (B) se acerca a la bola de médula (A) , los electrones negativos (signos menos azules) en cada átomo (óvalos amarillos) serán atraídos y se moverán ligeramente hacia el lado del átomo más cercano al objeto. Los núcleos cargados positivamente (signos más rojos) serán repelidos y se alejarán ligeramente. Como las cargas negativas en la bola de médula ahora están más cerca del objeto que las cargas positivas (C) , su atracción es mayor que la repulsión de las cargas positivas, lo que resulta en una fuerza atractiva neta. [7] Esta separación de carga es microscópica, pero como hay tantos átomos, las pequeñas fuerzas se suman para formar una fuerza lo suficientemente grande como para mover una bola de médula liviana.
La bola de médula se puede cargar al tocar un objeto cargado, por lo que algunas de las cargas en la superficie del objeto cargado se mueven a la superficie de la bola. Luego, la bola se puede utilizar para distinguir la polaridad de la carga en otros objetos porque será repelida por objetos cargados con la misma polaridad o signo que ella, pero atraída por cargas de polaridad opuesta.
A menudo, el electroscopio tiene un par de bolas de médula suspendidas. Esto permite saber a simple vista si las bolas de médula están cargadas. Si una de las bolas de médula toca un objeto cargado, cargándolo, la segunda será atraída y lo tocará, comunicando parte de la carga a la superficie de la segunda bola. Ahora ambas bolas tienen la misma carga de polaridad, por lo que se repelen entre sí. Cuelgan en forma de "V" invertida con las bolas separadas. La distancia entre las bolas dará una idea aproximada de la magnitud de la carga.
El electroscopio de hoja de oro fue desarrollado en 1787 por el clérigo y físico británico Abraham Bennet , [4] como un instrumento más sensible que los electroscopios de bola de médula o de hoja de paja que se usaban entonces. [11] Consiste en una varilla metálica vertical , generalmente de latón , de cuyo extremo cuelgan dos tiras paralelas de hoja de oro fina y flexible . Un terminal de disco o bola se une a la parte superior de la varilla, donde se aplica la carga que se va a probar. [11] Para proteger las hojas de oro de las corrientes de aire, se encierran en una botella de vidrio, generalmente abierta en la parte inferior y montada sobre una base conductora . A menudo hay placas de metal conectadas a tierra o tiras de papel de aluminio en la botella que flanquean las hojas de oro a ambos lados. Estas son una medida de seguridad; si se aplica una carga excesiva a las delicadas hojas de oro, tocarán las placas de conexión a tierra y se descargarán antes de romperse. También capturan la carga que se filtra a través del aire que se acumula en las paredes de vidrio, lo que aumenta la sensibilidad del instrumento. En los instrumentos de precisión se hacía periódicamente el vacío en el interior de la botella para evitar que la carga del terminal se escapara por la ionización del aire.
Cuando se toca el terminal de metal con un objeto cargado, las hojas de oro se separan formando una "V" invertida. Esto se debe a que parte de la carga del objeto se conduce a través del terminal y la varilla de metal hasta las hojas. [11] Dado que las hojas reciben la misma carga de signo, se repelen entre sí y, por lo tanto, divergen. Si se conecta a tierra el terminal tocándolo con un dedo , la carga se transfiere a través del cuerpo humano hacia la tierra y las hojas de oro se juntan.
Las hojas del electroscopio también se pueden cargar sin tocar un objeto cargado con el terminal, por inducción electrostática . A medida que el objeto cargado se acerca al terminal del electroscopio, las hojas se separan, porque el campo eléctrico del objeto induce una carga en la varilla conductora del electroscopio y las hojas, y las hojas cargadas se repelen entre sí. La carga de signo opuesto es atraída por el objeto cercano y se acumula en el disco terminal, mientras que la carga del mismo signo es repelida por el objeto y se acumula en las hojas (pero solo en la cantidad que salió del terminal), por lo que las hojas se repelen entre sí. Si el electroscopio se conecta a tierra mientras el objeto cargado está cerca, al tocarlo momentáneamente con un dedo, las cargas del mismo signo repelidas viajan a través del contacto a tierra, dejando el electroscopio con una carga neta que tiene el signo opuesto al objeto. Las hojas inicialmente cuelgan libres porque la carga neta se concentra en el extremo terminal. Cuando el objeto cargado se aleja, la carga en el terminal se extiende a las hojas, lo que hace que se separen nuevamente.
