¿Por qué mi Mano no es repelida por un cable portador de corriente?

Question

Estaba viendo esta entrevista con Richard Feynman en Youtube, (Mírala a partir del minuto 3:55): https://www.youtube.com/watch?v=MO0r930Sn_8

Ahora menciona que la razón por la que la mano de uno no atraviesa el brazo de una silla (o cualquier cosa "sólida" para el caso) se debe a las fuerzas eléctricas de repulsión.

Así que lo que entiendo de ese ejemplo (corregidme si me equivoco), es que dos cuerpos separados no pueden técnicamente "tocarse", al menos no a nivel atómico, y su incapacidad para entrar en "contacto" ( muy estrictamente hablando) se debe a la repulsión eléctrica que se produce entre ellos.

Ahora bien, esto parece una excelente explicación (bueno, es hizo de Feynman), pero no pasó mucho tiempo antes de que empezara a tener dudas....

No creo que esto cuente realmente como un "experimento", pero a principios de esta semana estuve manejando un cable de cobre aislado mantenido a unos 120 V (No me pregunten qué Estaba intentando hacer entonces....hint: Electrólisis) que tiene una cubierta de plástico de apenas 0,5 mm de grosor. Dado que había corriente fluyendo a través del cable (y una cantidad bastante buena de ella también, supongo...), de la explicación de Feynman, esperaría que mi mano fuera repelida por el cable, incluso un poquito, sólo fuerza de repulsión discernible, habría sido suficiente para convencerme de la explicación de Feynman, pero obviamente ("obvio" por la experiencia común) eso no ocurrió.

No es que esperara realmente que el cable repeliera mi mano, pero ¿no cuenta esto como prueba contra la afirmación de Feynman?

Entonces, ¿ha dado Feynman una explicación demasiado simplificada, o hay algo que no he tenido en cuenta en mi "experimento"?

Edición: Además, ¿experimentaría realmente una fuerza de repulsión (por "experimentar" me refiero a "sentir" realmente la repulsión cuando la agarro) si agarrara una pequeña esfera que tiene una carga neta de (digamos) un mili-columen?

Answer 1

¿Su mano pasó por el cable? No, puedes sentir su peso cuando lo sostienes. Te empuja hacia abajo, pero no lo atraviesa. Este peso que sientes es la fuerza que el cable y su aislamiento ejercen sobre ti a través de la repulsión electrostática.

La electricidad en el sentido tradicional no aumentará la magnitud de esta fuerza, ya que procede de los electrones y protones de la superficie del objeto que está tocando: el cable aislante. Además, el flujo de corriente a través de un cable no aumenta el número de portadores de carga (es decir, los electrones) de todos modos Por lo tanto, aunque el conductor del cable contribuyera al sentido del tacto, nada cambiaría cuando la corriente fluye a través de él.

En cuanto a tu pregunta sobre "experimentar" una fuerza de una esfera con una pequeña carga neta: los humanos no tenemos carga neta, por lo que, en una buena aproximación, no sentimos ninguna fuerza de repulsión o atracción entre nosotros y los objetos cargados. La única razón por la que esto se rompe cuando "tocamos" un objeto es que los electrones tienden a estar más cerca de la superficie que los protones (esto se debe a que los átomos son en gran parte espacio vacío con enormes nubes de electrones a su alrededor). Cuanto más cerca estén las partículas cargadas, más fuerte será la fuerza de repulsión/atracción entre ellas. El resultado es una fuerza neta de repulsión a medida que nos acercamos a un objeto. Pero quiero decir muy cerca . Esto se llama tacto.

Aquí hay una imagen (cortesía de la Fundación Wikimedia) de un átomo de hidrógeno donde se puede ver el átomo ridículamente pequeño en el centro, ¡unas 100.000 veces más pequeño que la nube de electrones!

Cuando nuestra mano es, digamos, $1 \; \mathrm{cm}$ de un objeto, esa pequeña diferencia entre la distancia a la nube de electrones y la distancia al protón es insignificante. Lo que es $1.1$ angstroms (~ $10^{-8} \; \mathrm{cm}$ ) en comparación con $1 \; \mathrm{cm}$ ? Pero cuando nos acercamos lo suficiente a un objeto, esta diminuta diferencia de distancia realmente importa. Las nubes de electrones de los átomos de nuestra piel se solapan con las del objeto, y como las cargas similares se repelen, sentimos una fuerza.

Supongo que técnicamente, si una esfera conductora tuviera una carga neta negativa, entonces habría más electrones en la superficie y experimentaríamos una fuerza mayor al tocarla desde la misma distancia. Pero nuestra mano y el objeto llegarían a un equilibrio en el que ejerceríamos la suficiente presión sobre él para contrarrestar la gravedad, y así sentiríamos la misma fuerza, sólo que con una separación muy ligera entre nuestra mano y la esfera. Pero ese efecto sería tan increíblemente diminuto (es decir, la cantidad de carga necesaria para algo significativo sería absurda) que no hay forma de que podamos percibirlo sin instrumentación.

Answer 2

Feynman hablaba de repulsión electrostática, tú sostenías un cable conductor de corriente, son situaciones diferentes.

Incluso si tuvieras un cable sin corriente en la mano, por la misma razón, que se debe a electrostática repulsión, esta repulsión habría impedido que el cable pasara por su mano.

La corriente no supondría una gran diferencia en el cable portador de corriente, en lo que se refiere a la repulsión en el sentido que Feynman le daba.

En otras palabras, se seguiría sintiendo la repulsión electrostática de un cable "muerto". Un número relativamente pequeño de electrones que pasen a lo largo de él, no tendría mucho impacto, si es que lo tiene, en la carga/repulsión electrostática general, llevada por un número total mucho mayor de átomos tanto en el cable como en tu mano.

Entonces, ¿ha dado Feynman una explicación demasiado simplificada, o hay algo que no he tenido en cuenta en mi "experimento"?

Si ves un vídeo similar sobre magnetismo, verás hasta dónde llega Feynman para evitar la simplificación excesiva, porque básicamente le dice al entrevistador que las matemáticas son necesarias y él no está preparado para explicarlo sin las matemáticas.

Además, ¿experimentaría realmente una fuerza de repulsión (por "experimentar" me refiero a "sentir" realmente la repulsión al agarrarla) si agarrara una pequeña esfera que tiene una carga neta de (digamos) un milicolor?

No, ¿cómo podrías saber la diferencia (ya que es tan pequeña) entre eso y, digamos, una bola de madera en comparación con la repulsión electrostática de tu mano y el objeto?

Answer 3

Ahora menciona que la razón por la que la mano de uno no atraviesa el brazo de una silla (o cualquier cosa "sólida" para el caso) se debe a las fuerzas eléctricas de repulsión.

Tu brazo y la silla, y normalmente cualquier cosa con la que entramos en contacto, es eléctricamente neutra, es decir, hay tantas cargas positivas como negativas en el material. La repulsión se produce porque las cargas negativas están en el "exterior" de los átomos y del entramado organizado de los sólidos. Están unidas en estados mecánicos cuánticos que necesitan una energía específica para extraer cada uno de los electrones. ( esto puede ser muy poco, como frotar el gato y entonces pueden saltar chispas cuando los electrones vuelven a caer y neutralizar el material una vez más) . La repulsión entre dos objetos neutros se produce porque los electrones se repelen, y las capas externas son negativas.

El aislamiento de un cable mantiene la misma geometría, de cargas externas negativas tanto de su mano como del aislamiento.

Dado que había corriente fluyendo a través del cable

La corriente en el cable son electrones que se desplazan debido a la diferencia de potencial en los dos extremos el metal del cable. El aislamiento lo aísla de cualquier efecto de estos electrones, afortunadamente, por su construcción.

Answer 4

¿Experimentaría realmente una fuerza de repulsión (por "experimentar" me refiero a "sentir" realmente la repulsión al agarrarla) si agarrara una pequeña esfera que tiene una carga neta de (digamos) un mili-columen?

Haz el experimento.

• Consigue una pequeña esfera hueca de látex en tu tienda de artículos para fiestas más cercana. Los llamamos "globos". Infla el globo hasta que adquiera su forma esférica.

• Conseguir un gato. Induzca una carga en la esfera frotándola vigorosamente contra el gato. Ten en cuenta que cinco de los seis extremos de un gato son lo suficientemente afilados como para perforar la esfera.

• Retira el gato y coloca la mano cerca de la esfera cargada.

¿La esfera es repelida o atraída por tu mano? Cuando he probado este experimento es atraída. ¿Puedes deducir por qué?

¿Puedes cargar el globo lo suficiente como para vencer la gravedad? Es decir, ¿puedes pegar el globo al techo utilizando únicamente la fuerza de atracción de la carga estática? Si lo consigues, podrás averiguar datos interesantes sobre la fuerza relativa de la estática y la fuerza gravitatoria.

Answer 5

Esta es una simplificación general de las cuestiones. El Modelo Estándar de cómo vemos el universo incluye cuatro fuerzas, la fuerte, la electromagnética, la débil y la gravitatoria. Tienen fuerzas relativas en ese orden. De ellas, las fuerzas Fuertes y Débiles actúan sólo en rangos muy pequeños, mientras que las fuerzas electromagnéticas y gravitacionales actúan en rangos infinitos, aunque su efecto disminuye mediante un cuadrado inverso de la distancia.

Cuando se trata de dos macro objetos sólidos, es decir, objetos grandes como tú y una silla, se ignoran las fuerzas fuertes y débiles, que están a niveles subatómicos. La gravedad también es insignificante a esas escalas, ya que es mucho más pequeña en escala que la electromagnética, para ser significativa se necesitan objetos más grandes que tú y una silla en comparación con la E-M, así que la electromagnética es la que estamos tratando.

Los átomos están formados por Núcleos que en realidad se ven como una nube de Neutrones y Protones. Las fuerzas electromagnéticas las separarían, pero a esas distancias entra en juego la Fuerza Fuerte, que supera la repulsión electromagnética y es en gran medida la responsable de mantener el átomo unido. El núcleo está rodeado por otra nube de electrones, que se mantienen unidos en gran medida por la fuerza EM, ya que son atacados por el núcleo, pero se repelen mutuamente, por lo que no colapsan en el núcleo, sino que rebotan alrededor de él. Se puede pensar en ello como en los antiguos dibujos orbitales, pero ahora se considera que se trata de una nube más aleatoria.

Las moléculas están formadas por dos o más átomos que comparten electrones, es decir, las nubes se fusionan de alguna manera con el electrón que a veces está alrededor de un núcleo, a veces de otro, y esto mantiene las moléculas unidas hasta que llega algo más atractivo.

Cuando un átomo o una molécula se acerca a otra, a menos que la química diga: "Oye, quiero unirme a eso", la respuesta típica es que la nube o un objeto es repelido por el otro debido a la fuerza EM. Pero la mayor parte de un objeto, incluso uno que llamamos sólido, es en realidad espacio entre átomos y moléculas, así que muchas veces los objetos no interactúan realmente y la molécula puede pasar a través de ese sólido sin ser repelida.

Tú y el sillón no sois moléculas, sois conjuntos de moléculas. Cada molécula individual de ustedes experimentaría esa repulsión o tal vez estaría demasiado lejos de cualquier molécula del sillón para comenzar a atravesarlo. Pero, las repelidas también serían repelidas por otras moléculas de tu cuerpo y serían empujadas hacia adelante. Las probabilidades de que una molécula determinada penetre mucho en el sólido de la silla son escasas, y las moléculas de tu cuerpo, muy improbables, aunque unas pocas, aquí y allá pueden hacerlo. Sin embargo, en general, tienes muchas moléculas que componen tu cuerpo y serán empujadas por las muchas moléculas de la silla, y empujadas de vuelta hacia la silla por las fuerzas EM de todas las diferentes direcciones hasta llegar a un equilibrio. Sentimos que estamos tocando la silla, pero en realidad no se produce ningún contacto real, sino que estamos flotando en la silla sostenidos por la repulsión EM mutua de los electrones que componen las moléculas de nuestro cuerpo y las que componen la silla.

Si la silla no fuera sólida sino fluida o gaseosa, sus moléculas estarían más separadas y serían menos capaces de alcanzar un equilibrio similar, menos capaces de hacer que se produzca esa flotación y bien podríamos entonces atravesarla.

Esto es una simplificación, y algunos no lo afirman al 100%, pero casi.

Esto es diferente a la fuerza EM que se siente por la corriente en un cable eléctrico. Sí, cada electrón en su mano/cuerpo sería repelido, pero cada núcleo sería igualmente atraído con una red de casi cero.