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Muchos ejemplos de los libros de Texto relativos al trabajo están basados en sobreponerse a la gravedad--tal y como se vió en la sección anterior #18. Si usted levanta un ladrillo desde el piso hasta una mesa, usted realiza (o "invierte en") trabajo y gana energía potencial gravitacional, y esta energía se puede convertir de nuevo en trabajo para levantar un ladrillo diferente. Pero la naturaleza también tiene otras fuerzas, tales como la fuerza eléctrica.
Fuerzas EléctricasLa materia ordinaria consiste de electrones negativos y de núcleos, atómicos positivos, y sus cargas eléctricas atraen unos a otros. ¡Eso es lo que mantiene a los átomos juntos! La materia común tiene cantidades iguales de carga eléctrica positiva y negativa.Sin embargo, al frotar (digamos) vidrio con una tela de lana seca, se pueden quitar electrones, dejándolo positivo, mientras que los electrones que fueron tomados por la tela, hacen por lo tanto, que obtenga una carga eléctrica negativa. Otros materiales (como el ámbar) atraen los electrones de la tela y se hacen negativos al ser frotados. Los objetos con carga positiva atraen aquellos objetos con carga negativa, pero dos objetos cargados positivamente, o dos objetos negativos, repelen uno al otro. Existen otras maneras de desprenderse de electrones de la materia, pero el proceso es autolimitante. Suponga que deposita electrones adicionales sobre un objeto: este se carga negativamente, fuertemente repeliendo cualquier electrón adicional y de esta manera no permitiendo que se agregue nada a su carga. Matemáticamente esto puede ser expresado mediante una "presión eléctrica" negativa (también conocido como "voltage" negativo, dado que se mide en unidades llamadas voltios) el cual empuja cualquier otra carga negativa. Si ese voltaje se hace muy grande, los electrones pueden ser empujados como una chispa, y existe un efecto simétrico con la carga positiva, la cual puede efectivamente jalar electrones del material circundante. Eso es lo que pasa en un rayo, cuando los procesos en una nube de tormenta (vea abajo) separan las cargas eléctricas y crean altos voltajes. En general, las puntas agudas crean chispas aún a bajos voltajes, mientras que esferas grandes y suaves resisten a las chispas. Lo interesante a notar es que la fuerza de repulsión (o atracción) tan solo existe fuera de la esfera: dentro de un recipiente cerrado hueco no se puede observar una fuerza eléctrica o voltaje. Debe estar feliz de saber que si se sienta dentro de una cabina cerrada de un avión de aluminio, cuando es golpeado por un relámapago, la cubierta de metal lo protege de cualquier efecto eléctrico.
El Invento de Van de GraaffEn 1929 Robert Van de Graaff en Princeton encontró una nueva manera de cargar una esfera hueca con alto voltaje. La montó sobre una gran columna de aislamiento, dentro de la cual una banda de hule giraba alrededor de dos poleas--una dentro de la esfera, y la otra (girada por un motor) en la base. También estaba en la base una fuente de voltaje negativo, unida a una serie de puntas agudas, los cuales descargaban carga eléctrica negativa sobre la banda. La carga eléctrica positiva también puede ser descargada--pero aquí es conveniente hablar de electrones. El otro lado de la fuente de voltaje estaba conectada a tierra, de manera que los electrones al ser descagados, otros llegaban y los remplazaban, sin dejar atrás una carga eléctrica positiva.Dado que el hule no conduce electricidad (esto es, no permite que las cargas eléctricas se muevan de un punto a otro, como lo haría un metal), la banda llevaba sus cargas hacia la esfera, dentro de la cual otra serie de puntas agudas, colocadas cerca de la banda, les quitaba la carga. Alambres conectaban las puntas a la esfera, de manera que la carga se distribuyera sobre toda la esfera. Gradualmente, la esfera se hacía cada vez más negativa. Eso no impedía la descarga de electrones dentro del interior hueco, y sin embargo, el voltaje afuera, se podía elevar a unos pocos millones de voltios. Cuando ese voltaje se hcía lo suficientemente alto, una chispa similar a un rayo normalmente brincaba al suelo o algún otro blanco de metal conveniente. El Museo de Ciencia de Boston tiene tales máquinas, y las usa para darle a los visitantes una demostraciones impresionantes.
Energía y Trabajo RealizadoConforme se cargan las esferas, ellas acumulan energía eléctrica. ¿De donde viene esa energía? Sencillo. Dijimos que aún cuando la esfera se carga hasta un millón de voltios, dentro de ella no hay presencia de fuerzas eléctricas, sin ofrecer un obstáculo para extraerle la carga a la banda. Pero en su exterior, ¡tales fuerzas sí existen! Conforme la banda lleva carga eléctrica negativa hacia la esfera, esta debe sobreponer la fuerza de repulsión F de la carga negativa que ya tiene ... ¡y realizar un trabajo! El motor debe sobreponer dicha repulsión, y es por lo tanto la fuente de energía. Un estudiante girando la polea inferior mediante una palanca también puede proveer energía, ¡pero debe cuidarse de las descargas!
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