FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Y REPRESENTACIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO

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1 FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Y REPRESENTACIÓN DEL CAMPO 1. INTRODUCCIÓN ELÉCTRICO Desde la antigüedad, Tales de Mileto, 600 a. C., se conocían fenómenos electrostáticos, sin embargo sólo hasta comienzos del siglo XVII es cuando se inicia su estudio con la creación de algunas máquinas electrostáticas aprovechando el rozamiento. En 1733 el francés Francois de Cisternay du Fay, propuso la existencia de dos tipos de carga eléctrica y en 1785 el físico francés Charles Coulomb midió con una balanza de torsión fuerzas eléctricas. La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto y puede traer muchos inconvenientes o ser de gran utilidad, por ello es necesario su conocimiento sobre todo cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro haciendo que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables, o cuando partículas ionizadas se depositan en algún material. Se nos ha enseñado que los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica 1 y que su clasificación en aislantes o conductores dependen de otros factores externos a los cuales ellos están sometidos, pero no se explicó porqué o cómo se podía dar esta interacción. Una forma de explicar cómo se podían comportar los cuerpos cargados fue a través del modelo del campo eléctrico que imaginó el fisicoquímico británico Michael Faraday 2, quien además lo representó unas líneas que se extendían hasta o desde el infinito y desde o hacia los cuerpos cargados, y sirvió para explicar la interacción a distancia entre cuerpos cargados, e inclusive se puede suponer un esquema de fuerzas en una región en el espacio aún sin que exista una carga de prueba en ese lugar, es esta la esencia del concepto de campo y esta idea se pudo expresar matemáticamente como. Por tanto, el campo eléctrico es un modelo que puede describir varios hechos de la naturaleza misma, por ejemplo, la interacción entre cuerpos y/o sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica, o el hecho que los conductores en equilibrio electrostático el exceso de carga esté en la superficie, o el modelo de manantial (las líneas de campo 1 Cargas iguales se repelen, cargas contrarias se atraen. 2 No tuvo una formación formal por tanto no conocía de matemáticas ,

2 brotan de las cargas positivas y son absorbidas por las cargas negativas). Al ser éste un modelo, es posible que en la actualidad o más adelante se construya o se conozca otra forma de explicar las interacciones eléctricas, pero esta explicación sirvió de andamiaje mental para la teoría que se tiene de la electrostática actual. 2. PREGUNTA DESEQUILIBRANTE Es posible representar el campo eléctrico como evidenciar la existencia de dos tipos de interacciones eléctricas entre cuerpos cargados? 3. PREGUNTAS GENERADORAS 1. De dónde proviene el concepto de carga eléctrica?, Cuáles son las propiedades fundamentales de la carga eléctrica? 2. A qué se le denomina efecto triboeléctrico? 3. Cuáles son las diferencias y/o características relevantes de un material conductor y un material aislante? 4. Qué significa ionizar un cuerpo? (de que clase se deja ionizar) 5. Qué significa que un cuerpo esté polarizado? (de que clase se deja polarizar) 6. Cuál es la diferencia entre un material polar respecto a un material no-polar? 7. Qué significa: a. Carga inducida? b. Carga por fricción?, c. Carga por contacto? 8. Para qué fue diseñado el electroscopio?, Cuál es el principio de funcionamiento? 9. Porqué podemos asegurar que la Tierra es conductora? 10. Qué significa polo a Tierra?, Cuál es el papel del polo a Tierra? 11. A qué se le denomina el efecto de las puntas?

3 12. Cómo se carga un gas? 13. Qué significa ruptura dieléctrica? 14. Cuál es la definición de campo eléctrico? Cómo se puede representar? Cuáles son las reglas para representarlo? 15. Cuáles son las representaciones del campo eléctrico para (una carga puntual, dos cargas del mismo valor y signo, dos cargas de diferente valor y signo) diferentes configuraciones de carga? 16. A qué se le denomina Jaula de Faraday? 4. PROTOCOLO a. Práctica demostrativa: evidencia de la existencia de carga eléctrica e interacción electrostática. Experiencia Imagen Explicación Carga eléctrica de varillas: por frotamiento y acercar a pequeños trozos de papel o de bolas de icopor (nieve) Carga eléctrica de un globo: por frotamiento y acercar a pequeños trozos de papel o a una superficie (tablero o pared) Clasificación de varillas cargadas eléctricamente: frotar una varilla y suspenderla en un soporte, acercar otra (o del mismo material o de diferente material) frotada. Carga eléctrica de un electroscopio por contacto: con cada una de las varillas cargadas tocar el electroscopio

4 Experiencia Imagen Explicación Carga eléctrica de un electroscopio por inducción y polo a tierra. Carga eléctrica de materiales que se frotan entre sí: acercar cada material al electroscopio. Jaula de Faraday: Acercar una barra cargada a un electroscopio, colocar el electroscopio en una jaula de Faraday y volver a acercar la barra cargada. Generador de Van de Graaff y medición de la diferencia de potencial. Descarga eléctrica. Volcán electrostático: Se coloca virutas de metal sobre el generador y se pone en funcionamiento Carga eléctrica de una persona: Tocar la esfera del generador Mallas con pitas: Conectar las mallas al generador. Gota de agua en un campo eléctrico: Soltar gotas de agua en el centro de las mallas conectadas al generador en funcionamiento y al descargarlo. Botella de Laden: Conectar al generador y descargar.

5 Experiencia Imagen Explicación Máquina de Whimshurt: producción de rayo. b. Representación del Campo Eléctrico: Se coloca dentro del recipiente de petri con aceite de resino y semillas de sémola, electrodos conectados a los terminales de la Máquina de Whimshurst. Electrodos Imagen observada Explicación del docente Una carga puntual Dos cargas puntuales de igual signo Dos cargas puntuales de signo contrario Varias cargas del mismo signo Una línea finita cargada Un aro cargado Se espera explicar y representar el principio de superposición con electrodos que permiten esta configuración. Electrodos Imagen observada Explicación del docente Dos líneas cargadas de signo contrario. Dos líneas cargadas de igual signo. Dos aros cargados concéntricos de signo contrario. Dos aros cargados concéntricos del mismo signo. Se espera explicar y representar los fenómenos de puntas, al trabajar con electrodos.

6 Electrodos Imagen observada Explicación del docente En forma de gota En forma de Y 5. PREGUNTAS ORIENTADORAS a. Cómo puede asegurar que existen dos tipos de interacciones eléctricas? b. Puede el electroscopio diferenciar entre carga positiva y carga negativa? fue posible determinar el signo de la carga experimentalmente? c. Cómo explica empleando el modelo de fuerzas el comportamiento de las laminillas del electroscopio? d. Para qué sirve una jaula de Faraday? Cite una aplicación de ésta. e. Por qué es mejor hacer las demostraciones de electrostática en un día no húmedo? f. Por qué se orientan las semillas para reproducir las líneas de campo? g. Es posible identificar las regiones donde es más intenso o más débil el campo eléctrico y por qué?

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