Holt Science Spectrum A Physical Approach. Chapter 13 Electricity (p. 428)

Transcripción

1 Holt Science Spectrum A Physical Approach Chapter 13 Electricity (p. 428) Abre tu libro de texto en el capítulo Electricidad. Lee el texto y mira detenidamente las ilustraciones a medida que escuches este capítulo.[pausa] Electricidad En este capítulo estudiarás cargas eléctricas, fuerzas y campos eléctricos. También verás como se produce una corriente eléctrica. Por último, estudiarás los circuitos eléctricos, incluyendo cómo se usan los fusibles y los interruptores protectores para prevenir una sobrecarga en un circuito. ******************************** Empecemos con la sección titulada Carga eléctrica y fuerza. [pausa] Esta sección describirá la relación entre pares de cargas y se examinarán los factores que influyen en la potencia de una fuerza eléctrica. También investigarás las características de un campo eléctrico provocado por una carga. Cuando hablas por teléfono, el micrófono del aparato telefónico transforma tus ondas sonoras en señales eléctricas. Cuando presionas un interruptor se enciende una luz en tu habitación. Si pisas una clavo descalzo, tus nervios envían mensajes entre tu cerebro y tus músculos. Como consecuencia, reaccionas rápidamente. Estos mensajes se transportan en impulsos eléctricos que se mueven a través de las células de tus nervios. eléctrica. Comencemos el estudio de la electricidad examinando en qué consiste una carga Probablemente has recibido una pequeña descarga al abrir una puerta después de andar sobre una alfombra en un día seco. Esto ocurre porque tu cuerpo recoge carga Electricity 1

2 eléctrica cuando tus zapatos se mueven por la alfombra. La carga eléctrica se define como una característica eléctrica de la materia que crea una fuerza entre cuerpos. Probablemente no sientes estas cargas eléctricas que recoges de la alfombra cuando las cargas se extienden por todo tu cuerpo. Pero sí las notas cuando pasan de tu dedo al metal del puño de la puerta. Experimentas este movimiento de cargas eléctricas como un chasquido en tu dedo. Las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas opuestas se atraen. Una forma de observar una carga eléctrica es frotando un globo por tu pelo en un día seco. La Figura 1 muestra que el globo puede ser atraído por tu pelo. Supón que frotas dos globos por tu pelo y luego los acercas. La Figura 1B muestra cómo los globos se separan entre ellos. En otras palabras, los globos se repelen. Por favor mira en la siguiente página. [pausa] Este simple experimento demuestra que los globos y tú tienen algún tipo de energía. Tu pelo es atraído por ambos globos, pero los globos se repelen entre sí. Esto significa que hay dos tipos de cargas, un tipo está en los globos y el otro en tu pelo. Los dos globos deben tener el mismo tipo de carga porque cada globo se cargó del mismo modo frotándolos en tu pelo. Debido a que los dos globos se repelen y tienen el mismo tipo de carga, debemos concluir que cargas del mismo signo se repelen. Sin embargo, tu pelo y los globos no se cargaron del mismo modo. Tu pelo y un globo se atraen entre sí porque cargas diferentes se atraen. Estos dos tipos diferentes de cargas se llaman cargas positivas y cargas negativas. Cuando frotas un globo en tu pelo, la carga de tu pelo es positiva y la carga del globo es negativa. Cuando el número de cargas positivas iguala al de cargas negativas en un cuerpo, el cuerpo no tiene carga. La carga eléctrica de un cuerpo depende del número de protones y electrones que tiene. Electricity 2

3 Aprendiste en el capítulo titulado Atomos y la tabla periódica que toda la materia, incluido tú, está formada de átomos. A su vez, los átomos están formados de bloques incluso más pequeños: electrones, protones y neutrones. Los electrones son partículas cargadas negativamente, los protones son partículas cargadas positivamente y los neutrones son partículas neutras, que significa que no tienen carga. Los cuerpos están formados de enormes cantidades de electrones, protones y neutrones. A veces, puede haber un número desequilibrado en el número de protones y electrones en un átomo, molécula u otro cuerpo. Cuando ocurre ese desequilibrio, el átomo, la molécula u otro cuerpo tiene una carga eléctrica neta. La diferencia entre el número de protones y el número de electrones determina la carga eléctrica del cuerpo. Cuerpos cargados negativamente tienen más electrones que protones. Cuerpos cargados positivamente tienen menos electrones que protones. La unidad SI de la carga eléctrica es el culombio, que se escribe como una C mayúscula. El electrón y el protón tienen exactamente la misma cantidad de carga eléctrica, 1.6 multiplicado por diez-elevado-a-menos-diecinueve culombios. Recuerda que un protón y un electrón están cargados opuestamente. Un protón tiene una carga positiva de 1.6 multiplicado por diez a la menos diecinueve culombios, mientras que un electrón tiene una carga negativa de 1.6 multiplicado por diez-a-la-menos-diecinueve culombios. Un objeto con una carga total negativa de 1.0 culombios tiene 6.25 por diezelevado-a-dieciocho exceso de electrones. La carga eléctrica en un cuerpo siempre depende del número de protones y electrones que tiene el cuerpo. Como consecuencia, la carga eléctrica neta de un objeto cargado es siempre múltiplo de 1.6 multiplicado por diezelevado-a-menos-diecinueve culombios. Pasa a la página siguiente. [pausa] Has notado que los cables eléctricos que conectan los aparatos eléctricos son de plástico? En la Figura 2 se ve un estéreo con un corte transversal en su cordón eléctrico. Electricity 3

4 Advierte en la vista del corte transversal que el cordón eléctrico no es todo de plástico hasta el centro. En su lugar, el centro del cordón está hecho de delgados cables de cobre enlazados entre sí. Los cordones eléctricos están elaborados de este modo plástico en el exterior y cables de cobre en el interior- debido a las propiedades de cada material. Los materiales como el cobre de los cables se llaman conductores. Un conductor es un material que transfiere carga eléctrica libremente. El plástico del cable, sin embargo, no permite que la carga eléctrica se mueva libremente. Los materiales que no trasmiten la carga fácilmente se llaman aislantes. Ejemplos de aislantes son el cartón, el vidrio, la seda y el plástico. Las cargas del cable eléctrico de los aparatos eléctricos se pueden mover libremente por el metal conductor en el centro del cable, pero las cargas no se pueden escapar del aislante que las rodea. Este diseño hace más eficientes los aparatos eléctricos y además previene a la gente de peligrosas descargas eléctricas. Una manera en que los cuerpos se cargan eléctricamente es transfiriendo electrones. Los protones y electrones están relativamente fijos en el núcleo del átomo, pero los electrones exteriores pueden transferirse fácilmente de un átomo a otro. Como resultado, cuando se frotan distintos materiales, los electrones pueden transferirse de un material a otro. La dirección en que los electrones se transfieren depende de los materiales involucrados. Por ejemplo, cuando te deslizas por la tela del asiento de un automóvil, los electrones se transfieren de tus ropas al asiento, o del asiento a tus ropas, dependiendo del tipo de ropa que llevas y del tipo de material del asiento. El material que recolecta electrones se vuelve negativamente cargado, mientras que el otro material se vuelve positivamente cargado. Este es un ejemplo de carga por fricción. Mira a la siguiente página. [pausa] Electricity 4

5 Los cuerpos pueden cargarse también sin fricción. Una manera es tocándolos con un objeto cargado. La Figura 3A muestra lo que pasa cuando una barra de goma cargada negativamente toca un objeto neutro como el puño de una puerta. Advierte que en la Figura 3A los electrones se mueven de la barra al puño de la puerta. La Figura 3B muestra que más tarde el puño de la puerta tiene una carga negativa. La barra de goma tiene todavía carga negativa, pero la carga es menor. Piensa ahora en lo que pasaría si una barra cargada positivamente toca un puño de puerta neutro. En este caso, los electrones del puño se transladan a la barra. Como resultado, el puño crea una carga positiva. Los objetos cargados de esta forma se dice que se cargan por contacto. Las cargas se pueden mover dentro de cuerpos no cargados. Las cargas de un conductor neutro se pueden redistribuir sin tocar un cuerpo cargado. Por ejemplo, piensa en lo que pasa cuando acercas, pero sin tocar, una barra de goma negativamente cargada al puño de una puerta. Los electrones del puño serán repelidos. Debido a que el puño metálico de una puerta es un conductor, los electrones se alejarán de la barra. Como resultado, la parte del puño más cercana a la barra tendrá un exceso de carga positiva. Como la parte del puño más alejada de la barra, tiene más electrones tendrá una carga negativa, pero el puño en su totalidad será neutro. Es decir, la carga total del puño de la puerta será cero. Sin embargo las partes opuestas del puño tendrán una corriente inducida. La Figura 4 muestra que la barra cargada negativamente induce una carga positiva a la parte más cercana a la barra y una carga negativa a la parte más alejada de la barra. Por favor pasa a la siguiente página [pausa] En la Figura 5 se muestra un peine cargado negativamente que está recogiendo trozos de papel de seda neutro. El papel de seda es un aislante, por lo que las cargas no pueden moverse libremente en el papel. Pero piensa en lo que puede pasar cuando un objeto cargado se acerca a un aislante, como el papel de seda. Las posiciones de los Electricity 5

6 electrones dentro de las moléculas individuales del papel cambian ligeramente. Una cara de una molécula será ligeramente más positiva o más negativa que la otra cara. Esto se conoce como polarización. Esta polarización de átomos o de moléculas en un aislante produce una carga inducida en la superficie del aislante. Observa en la Figura 5 que la superficie del papel cerca del peine tiene una carga inducida positiva, y que la superficie más alejada del peine tiene una carga inducida negativa. Como resultado, la carga positiva de la superficie del papel cerca del peine se atrae al peine cargado negativamente aunque el papel tiene una carga total neutra. La atracción y la repulsión entre cuerpos involucra fuerzas eléctricas. La atracción de un papel a un peine cargado negativamente es un ejemplo de fuerza eléctrica. La repulsión de los dos globos es otro ejemplo de fuerza eléctrica. Una fuerza eléctrica es también la causa de que a veces las ropas se adhieren entre sí cuando las sacas de la secadora. Una fuerza eléctrica se define como la fuerza de atracción o repulsión entre cuerpos debido a la carga eléctrica. Estamos rodeados de fuerzas eléctricas. Por ejemplo, una mesa parece sólida, pero los átomos que forman la mesa están compuestos principalmente de vacío. La fuerza eléctrica entre los electrones en los átomos que forman la mesa y los electrones en tu mano, es suficientemente fuerte como para prevenir que tu mano atraviese la mesa. De hecho, la fuerza eléctrica a nivel molecular es responsable de la mayoría de las fuerzas comunes que experimentamos cada día, como la fuerza de la fricción, la fuerza en un muelle o la fuerza de contacto que sientes cuando tocas algo. La fuerza eléctrica es responsable también de los efectos que no podemos ver. Por ejemplo, la fuerza eléctrica mantiene un átomo junto. Los átomos se enlazan entre sí en moléculas gracias a la fuerza eléctrica. La fuerza eléctrica también juega un papel importante en las relaciones entre moléculas, como las proteínas y otras células de nuestros cuerpos. De hecho, sin fuerza eléctrica, la vida en sí misma sería imposible. Mira la página siguiente. [pausa] Electricity 6

7 La fuerza eléctrica entre dos cuerpos depende de las cargas de los cuerpos y de la distancia entre ellos. Por ejemplo, la fuerza eléctrica entre dos globos es proporcional al producto de las cargas de los globos. Una fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los cuerpos. Por ejemplo, si la distancia entre dos globos cargados es doble, entonces la fuerza eléctrica entre ellos disminuye a un cuarto de su valor original. Si la distancia entre dos globos se cuadriplica, entonces la fuerza eléctrica entre ellos disminuye a un dieciseisavo de su valor original. Qué pasaría a la fuerza eléctrica si la distancia entre los dos globos se triplica? [pausa] Si dijiste que triplicar la distancia disminuye la fuerza eléctrica a un noveno del valor original, acertaste. En el capítulo titulado Movimiento y fuerzas se demostró que la fuerza gravitacional depende de la distancia del mismo modo. La fuerza eléctrica actúa en un campo. Como has visto anteriormente, una fuerza eléctrica no necesita que los cuerpos se toquen entre sí. Pero cómo pueden entonces las cargas relacionarse entre sí en una distancia? Un modo de reproducir esta propiedad de las cargas eléctricas es usando el concepto de campo eléctrico. Un campo eléctrico es la región que rodea un cuerpo cargado en el que otros cuerpos cargados experimentan una fuerza eléctrica. Una partícula cargada produce un campo eléctrico en su espacio alrededor. Otra partícula cargada en ese campo experimentará una fuerza eléctrica. Esta fuerza es causada por el campo eléctrico asociado con la partícula cargada original. Un modo de representar un campo eléctrico es dibujar líneas de campos eléctricos. Las líneas de campos eléctricos señalan la dirección de una fuerza eléctrica en una carga positiva. Recuerda que dos cargas positivas se repelen entre sí. La Figura 6A muestra que las líneas del campo eléctrico alrededor de una carga positiva apuntan hacia afuera. Esto indica que una carga positiva instalada en un campo eléctrico alrededor de otra carga positiva será Electricity 7

8 despedida. En la Figura 6B se ve que una carga positiva instalada en el campo eléctrico alrededor de una carga negativa será atraída hacia adentro. Observa en la Figura 6B que las líneas del campo eléctrico alrededor de la carga negativa apuntan hacia adentro. No importa la carga, las líneas de los campos eléctricos nunca se cruzan entre sí. Por favor pasa a la siguiente página [pausa] En la Figura 7 se ven las líneas de un campo eléctrico entre dos cargas. En la Figura 7A las líneas apuntan en dirección contraria a las cargas positivas. Esto representa que se repelen entre sí. Las líneas en los campos indican no sólo la dirección de un campo eléctrico sino también su fuerza relativa. Examina la Figura 7B. Advierte que hay el doble de líneas apuntando hacia afuera de la carga dos positiva que apuntando hacia la carga uno negativa. Se dibujan más líneas para las fuerzas mayores para indicar una fuerza mayor. Repasa ahora los conceptos clave de esta sección que están recogidos en el Resumen. Hay dos tipos de carga, positiva y negativa. Cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen. La fuerza eléctrica entre dos cuerpos cargados es proporcional al producto de la cargas e inversamente proporcional al cuadrado de su distancia. Una fuerza eléctrica actúa en un campo eléctrico. Los campos eléctricos rodean cuerpos cargados. Cualquier cuerpo cargado que entra en una región con un campo eléctrico, experimenta una fuerza eléctrica. ************************* Electricity 8