CIENCIAS NATURALES 8 BÁSICO

Transcripción

1 CIENCIAS NATURALES 8 BÁSICO FENÓMENOS ELÉCTRICOS Material elaborado por: Daniel Valdés Edwin Salazar

2 GUÍA 1. FUERZA ELÉCTRICA La electricidad es fundamental en la vida moderna, permite iluminar nuestros hogares, hace posible el funcionamiento de múltiples aparatos y aporta la energía que requieren las industrias, entre otras funciones. 1. Seguramente recuerdas algún apagón, es decir, la suspensión del servicio de provisión de energía eléctrica, por alguna falla en el sistema que la proporciona. Si no recuerdas alguno, entrevista a amigos o familiares para responder las siguientes preguntas: a. Cómo se vieron afectadas las actividades de la casa? b. De qué manera afectó el apagón la vida en el barrio en que vives? c. Qué problemas se habrán presentado en la ciudad? d. Compara tus respuestas con las de un par de compañeros y juntos completen, con la información de los tres, las preguntas anteriores. Si bien la electricidad te resulta muy familiar debido a la gran cantidad de aparatos que funcionan con electricidad, este fenómeno físico está presente en la naturaleza sin que la intervención del hombre sea necesaria: los rayos, truenos y relámpagos son manifestaciones de fenómenos eléctricos. También es un fenómeno eléctrico la atracción, que habrás observado, entre objetos, como un globo de goma y el muro o el cielo raso de una habitación. Suele usarse esta atracción para adornar con globos una fiesta de cumpleaños. No lo has visto? Lo que has observado puede describirse diciendo que en algunos casos hubo atracción y en otros repulsión. Actividad 1 1. Responde antes de realizar la actividad experimental sugerida: En qué caso o casos observaste atracción? En qué caso hubo repulsión? 2. Realiza el siguiente experimento Materiales: 2 globos de goma e hilo a. Infla los globos y ciérralos atando un hilo en la boquilla de entrada del aire. b. Coloca uno de los globos sobre el pupitre y acerca a él el otro globo. Ocurre algo? c. Luego, frota ambos globos mediante un paño de lana o simplemente frótalos en tu suéter o polera y en seguida deja un globo sobre el pupitre y acerca el otro globo a él. Qué ocurre? Anota en tu cuaderno lo observado. d. Luego, acerca uno de los globos a la cabellera de un compañero, o mejor, de una compañera que tenga el cabello largo. Qué ocurre? Registra lo observado. e. A continuación apoya los globos en el cielo raso de la sala. (Puede ser necesario que vuelvas a frotar el globo). Para hacer esto tendrás que subirte a una silla. Ten cuidado de no caer y pide ayuda a uno de tus compañeros. Qué ocurre? 2

3 Si en la figura, el globo gris y el globo blanco se separan espontáneamente al poner uno junto al otro, es porque el globo gris ejerce una fuerza de repulsión al globo blanco y el globo blanco ejerce fuerza de repulsión al globo gris. En la figura de la derecha se han representado las fuerzas que se ejercen los globos mediante flechas. Recuerda que antes de frotar los globos, entre ellos no había ni atracción ni repulsión y después de frotarlos se repelieron. O sea, cuando los globos se frotan adquieren algo que hace que se repelan. A ese algo se le llama carga eléctrica. Actividad 2 Materiales: Dos globos de diferente color, hilo, un trozo de tubo de plástico (PVC) o una regla de plástico y una bolsa plástica (polietileno). a. Ata un hilo de más o menos un metro de largo a uno de los globos de modo que puedas colgarlo como muestra la figura. b. Frota ambos globos en tu suéter o polera y mientras uno de tus compañeros sostiene un globo mediante el hilo, acércale el otro globo. Qué ocurre? Puede llegar a tocar un globo al otro? c. Anota en tu cuaderno lo observado. Hay atracción o repulsión entre los globos? d. Repite la experiencia anterior pero ahora acerca poco a poco el globo al que está colgado. Cuándo es mayor la repulsión? Cuándo están más lejos o más cerca los globos? Cómo te das cuenta de eso? e. Ahora frota la regla o el tubo de plástico y acércala al globo colgado. Qué ocurre? Hay atracción o repulsión? Anota lo observado. Analiza lo observado en el experimento anterior. Si dos cuerpos se atraen diremos que entre ellos hay fuerzas eléctricas de atracción y si dos cuerpos se repelen diremos que entre ellos hay fuerzas eléctricas de repulsión. Puesto que se observa que puede haber fuerzas de atracción o de repulsión, debe existir dos tipos de carga eléctrica. Cuando ambos globos se frotaron con el mismo tipo de tela deben haber adquirido el mismo tipo de carga eléctrica. En este caso se observó repulsión entre los globos. Entonces se puede concluir que cuando dos cuerpos tienen el mismo tipo de carga, los cuerpos se repelen. Cuando se acercó la regla frotada con plástico al globo, se observó atracción entre el globo y la regla. En este caso el globo y la regla deben tener diferente tipo de carga. Ahora se puede concluir que cuando dos cuerpos tienen diferente tipo de carga, los cuerpos se atraen. 3

4 Actividad 3 Realiza con un compañero o compañera el siguiente experimento. Materiales: Dos bombillas plásticas, de esas que se usan para beber líquidos, hilo, una bolsa de polietileno, tijeras. 1. Con una bombilla plástica y un trozo de hilo realiza el montaje de la figura 1. Mientras tu compañero sostiene esa bombilla por el hilo, frota la bombilla con la bolsa de polietileno. También frota otra bombilla. 2. Acerca la segunda bombilla a la que está colgada. Qué ocurre? Las bombillas adquirieron cargas del mismo tipo o diferente? Cómo lo sabes? 3. Ahora frota la regla plástica con el polietileno y acércala a la bombilla colgada. Qué ocurre? La regla adquirió carga del mismo tipo o diferente? cómo lo sabes? 4. Ahora corta una tira de polietileno y luego hazle varios cortes a lo largo como muestra la figura 2. Luego frota la tira a lo largo de ella con los dedos. Qué ocurre? Puedes explicar por qué sucede esto? 5. Ahora frota una bombilla de plástico y apégala a la pizarra blanca que seguramente hay en tu sala. Qué ocurre? Cómo explicas lo sucedido? Figura 1 Figura Ya está claro que todos los fenómenos observados se pueden explicar por la existencia de carga eléctrica. La carga eléctrica la adquieren los objetos de diversa manera, una de ellas es por frotación. Como ya lo dedujimos antes, hay dos tipos de carga eléctrica. Las llamaremos carga positiva (+) y carga negativa (-). Entonces, los experimentos observados se explican del siguiente modo: 1. Si dos cuerpos poseen carga positiva, se repelen. 2. Si dos cuerpos poseen carga negativa, también se repelen. 3. Si un cuerpo tiene carga positiva y otro cuerpo tiene carga negativa, entonces se atraen. 4

5 Actividad 4 Responde las siguientes preguntas: 1. Se tienen tres globos con carga eléctrica: uno gris, uno con pintas y uno blanco. Al acercar el globo gris al con pintas se observa que se atraen. Luego, al acercar el globo gris al globo blanco se observa que se repelen. a. Qué ocurrirá si se acerca el globo con pintas al globo blanco? b. Dibuja las flechas que representan las fuerzas en la última figura c. Si se sabe que el globo blanco tiene carga negativa, qué tipos de carga tienen el globos gris y el con pintas?? 2. Cuatro objetos A, B, C y D, poseen carga eléctrica. Se observa que A atrae a B, atrae a C y atrae a D. a. Entonces, B y C, se deben atraer o repeler? b. C y D, se atraen o repelen? c. Si se sabe que el objeto A tiene carga positiva, qué tipo de carga tienen los objetos B, C y D? 3. Acerca a un globo colgado y frotado previamente, otro globo también frotado. Acércalo poco a poco. Y observa lo que ocurre. a. La fuerza eléctrica aumenta o disminuye cuando los globos están más cerca? Cómo lo sabes? b. Entonces, depende la fuerza eléctrica de la distancia entre los cuerpos cargados? Cómo es esa dependencia? 5

6 GUÍA 2. CONDUCTORES Y AISLANTES Hemos visto que frotando diversos objetos, éstos adquieren carga eléctrica. Pero, Cualquier material se carga al frotarlo? Para responder a esta pregunta te proponemos realizar una serie de experimentos. Materiales: Un globo pequeño inflado y colgado mediante un hilo (puede estar colgado de algún soporte o sostenerlo un estudiante). Una bolsa de polietileno. Otro globo inflado. Una regla plástica. Un tubo de aluminio. Un tubo de PVC. Una regla o varilla de madera. Una varilla de fierro. Un tubo de cobre o bronce. Una varilla de vidrio. Un trozo de tela de lana. Papel de aluminio (papel plateado) Un trozo de tela de material sintético. Un trozo de plumavit y otros objetos que tengas a mano. 1. Asegúrate que el globo esté cargado, para eso frótalo con un trozo de polietileno (bolsa plástica). A continuación, una vez colgado el globo, acerca a él la regla de plástico, sin frotarla previamente. a. Se observa alguna acción sobre el globo? b. Frota la regla con un paño de lana y acércala al globo. Qué ocurre? 6

7 c. Entonces, la regla adquirió carga del mismo signo que la carga del globo? Cómo lo sabes? d. En seguida acerca al globo el trozo de género de lana con que frotaste la regla. Qué ocurre? Hay atracción, repulsión o nada? e. De acuerdo con lo observado, al frotar un objeto con un paño, tanto el objeto como el paño se cargan. El objeto y el paño adquieren cargas de igual signo o de signos contrarios? Al frotar un objeto, tanto él como el paño se carguen, se puede explicar de la siguiente manera. Cuando un cuerpo está neutro, no es que no tenga carga eléctrica sino que posee igual cantidad de carga eléctrica positiva (+) que carga eléctrica negativa (-). Al frotarlo, las cargas positivas y negativas se separan. Unas quedan en el objeto y las otras en el paño Por lo tanto, el objeto y el paño quedan con cargas opuestas. 2. Ahora toma un tubo de PVC y sin frotarlo acércalo al globo. Qué se observa? a. En seguida toma un trozo de tubo de aluminio y, sin frotarlo, acércalo al globo. Qué ocurre? b. Repite este experimento empleando un tubo de cobre, de bronce o de otro metal. Se observa lo mismo que con el tubo de aluminio? 7

8 En estas actividades estamos observando un fenómeno novedoso: un objeto con carga eléctrica (el globo) no es atraído ni repelido por objetos de plástico que no se hayan frotado, pero puede ser atraído por un tubo de metal que no ha sido frotado. Cómo podemos explicar esto? Ocurre que hay materiales en que la carga eléctrica, tanto positiva como negativa, permanece fija al material (los plásticos por ejemplo). En cambio, hay otros materiales en que la carga no está fija sino que puede moverse en el material (los metales, por ejemplo). Por lo tanto, al acercar una barra metálica al globo cargado ocurre lo que ilustra la figura siguiente: La carga del globo atrae la carga eléctrica de signo contrario que posee la barra de metal, y como la carga se puede mover en la barra, se acumula en el extremo de la barra más cercano al globo. La carga de igual signo que la del globo es repelida y se acumula en el extremo alejado de la barra. Como la carga de diferente signo quedó más cerca del globo, predomina la atracción y el globo y la barra se aproximan. Aquellos materiales en que la carga eléctrica se mueve con facilidad se denominan materiales conductores. Los metales son buenos conductores de la carga eléctrica. En cambio, los plásticos, el vidrio, la lana y muchos otros, son materiales aislantes, en ellos la carga no circula o lo hace con más dificultad. 3. En esta actividad se utilizará nuevamente un globo inflado y colgado de un soporte mediante un hilo. a. Procura que el globo, una vez inflado, no tenga un diámetro mayor de 10 cm. b. En seguida envuelve el globo completamente con un trozo de papel de aluminio. c. Toma otro globo inflado, frótalo con un trozo de polietileno y acércalo al globo colgado. Qué sucede? Cómo se explica lo observado? Ten presente que el globo colgado y forrado con aluminio está neutro. d. A continuación acerca al globo, uno a uno, los demás objetos, primero sin frotarlos y luego después de frotados con alguno de los paños o con polietileno. e. También acerca al globo los paños que usas al frotar 8

9 4. Elabora una tabla, como la siguiente, en tu cuaderno y anota en ella todas tus observaciones Objeto Regla plástica Paño de lana Tubo de aluminio Polietileno Varilla de fierro Paño de lana Frotado con... paño de lana después de frotar la regla polietileno después de frotar el aluminio después de frotar con paño de lana después de frotar la varilla de fierro Se observó que con el globo hay: atracción repulsión nada 5. Qué tienen en común los cuerpos que después de haber sido frotados no atraen al globo? Si estos objetos no atraen al globo quiere decir que están neutros, a pesar de haber sido frotados. Tratemos de encontrar una explicación para esto. 6. Toma uno de los objetos de metal pero hazlo con un trozo de polietileno y luego frótalo con un paño de lana. A continuación, sin dejar de sostenerlo con el plástico, acerca el metal al globo colgado. Acércalo bastante Qué se observa? Acerca el paño con que frotaste la varilla al globo. Qué se observa? 7. Como has podido ver, los metales también se pueden cargar por frotamiento, siempre que no estén en contacto con la mano. Cómo explicar esto? Ya sabemos que la carga eléctrica es una propiedad que los cuerpos pueden adquirir y también pueden perder. Por qué los metales pierden la carga que pudieran adquirir al frotarlos, cuando se los sostiene con la mano desnuda? Para verificar tu respuesta repite la experiencia anterior: Frota la varilla de metal sujetándola con la lámina de polietileno y acércala al globo colgado. Verifica que atrae al globo y estando cerca del globo toca la varilla con un dedo. Qué pasa? Cómo explicas esto? Recuerda que los metales son buenos conductores de la carga eléctrica. 9

10 GUÍA 3. CÓMO SE PUEDEN CARGAR LOS ELEMENTOS QUE NOS RODEAN? La electrización es la manera de provocar que los objetos adquieran una cierta carga, y debido a que los electrones son los principales causantes del movimiento de cargas, entonces todo este proceso los tendrá a ellos como protagonistas principales del proceso de carga de un objeto. Si quitamos electrones de un objeto entonces las cargas positivas serán las que prevalecen en mayoría, entonces decimos que el cuerpo está cargado positivamente. En cambio, si agregamos una cierta cantidad de electrones, este estará cargado negativamente porque hay una mayor cantidad de electrones en su interior. Para lograr esto último se conocen 3 procesos bien definidos, los cuales nos sirven para generar un traspaso de cargas de un cuerpo a otro, provocando la electrización. Actividad 1. Electrización por Frotación Materiales: 1Cinta de teflón 1 Guante quirúrgico 1 Tijera 1. Corta un pequeño pedazo de teflón de aproximadamente unos 30 cm de largo. 2. Corta uno de los extremos del teflón siguiendo el diagrama de abajo (la línea punteada es donde debes hacer el corte). C B A 3. Ponte uno de los guantes en una mano y sujeta la cinta con la otra mano (sin guante) tomándola por el punto A. Qué crees que ocurrirá si frotas con el guante las puntas que cortaste de la cinta? 4. Usando tu mano con el guante puesto, sujeta suavemente la cinta desde el punto B y arrástrala hasta el punto C (frotándola). Qué ocurre con los pedazos que cortaste en el borde C? Es como lo habías pensado? Describe lo que pasa. 5. En términos de carga eléctrica Qué piensas que está pasando con las cargas de cada uno de los extremos? Explica. 6. Ahora repite el mismo proceso desde el paso 1 hasta el 3 pero ahora no te pongas guantes. Realiza el paso 4 con la mano desnuda. Qué piensas que ocurrirá?. El efecto observado antes, ocurre con la misma intensidad? Es más fuerte o más débil? Describe y explica lo que ocurre. 10

11 Electrización por Frotación Existen átomos con una tendencia mayor a entregar electrones y otros con una tendencia mayor para recibirlos (por ejemplo un guante quirúrgico o la piel de la mano). Este efecto provoca que al frotar dos materiales, muchas veces uno entregue electrones y el otro los reciba, provocando así el desequilibrio que buscamos con mayor o menor intensidad. La cantidad de electrones que un objeto entrega depende exclusivamente del material que está compuesto, como también de cuántos es capaz de recibir. Una serie para saber este efecto recibe el nombre de serie triboeléctrica, que consiste en una pequeña ordenación de elementos para saber cuál tiene una mayor tendencia a entregar o recibir electrones. La serie se muestra a continuación: (+) Piel de conejo - vidrio - mica - lana - piel de gato - algodón - madera - ámbar (-) Un ejemplo indirecto de su uso lo acabas de ver en esta actividad al momento de cambiar el material de frotación. En un primer caso usaste el guante quirúrgico y en el segundo tu mano, lo que produjo efectos diferentes en la separación de los extremos del teflón. Esto es debido a que hay materiales que tienen mayor capacidad de entregar/recibir electrones que otros. Actividad 2. Electrización por Contacto Materiales: 1Cinta de teflón 1 Guante quirúrgico 1 Tijera Al cargar un globo por frotación y usando pelo, los dos materiales intercambian cargas haciendo que se atraigan como en la imagen. Imagen extraída de 6/29/static-electricity-isnt-what-y/ 1. Electriza la cinta, corta otra y déjala sin electrizar. Qué crees que ocurrirá si acercas ambas cintas? 2. Acerca la cinta de teflón que ya está electrizada a la que no lo está. Haz que se toquen. Describe lo que ocurre con la cinta que no estaba electrizada. Ocurrió lo que esperabas? 3. Cómo explicas lo que observas en el extremo de la nueva cinta? Explica lo que ocurre en términos de cargas eléctricas. 4. Intenta que se toquen las cintas varias veces. Qué ocurre en términos de atracción y repulsión entre las cintas? Se atraen o repelen? Responde y explica. 11

12 5. Qué quiere decir que las cintas se atraigan/repelan en términos del tipo de carga que poseen? Responde y justifica. 6. Si al iniciar la actividad la cinta nueva estaba con carga nula (cero), Qué carga pareciera tener cuando tocas varias veces las dos cintas? (una estimación de la cantidad de carga puede determinarse viendo la separación de los extremos en cada cinta). Responde si es mayor, menor o igual y justifica el por qué podría ocurrir esto. Electrización por Contacto Este proceso consiste únicamente en tocar un objeto que se encuentra en estado neutro con otro que ya esté cargado. Al tocarse, ambos objetos equilibran sus cargas ya que hay traspaso de electrones de un lado a otro. Esto provoca que al terminar el proceso, ambos objetos queden con la misma carga, pero desequilibrada. Esto produce que el objeto que antes era neutro adquiera una carga eléctrica. Un pequeño ejemplo sería algo como: Si toco un objeto cargado con +4 unidades de carga con uno de carga neutra (0), entonces al final de esta electrización ambos quedarán con una carga de +2 unidades de carga (o sea, desequilibrados y por ende, cargados) (ver figura 1). Diagrama explicativo del proceso de electrización por contacto. Imagen extraída de Actividad 3. Electrización por Inducción Materiales: 1Cinta de teflón 1 Guante quirúrgico 1 Tijera 1. Toma una de las cintas y electrízala por contacto o por frotamiento (elige el método que más te acomode). 2. Cuando la tengas, acerca una de tus manos a la cinta y verás que produce un efecto de atracción hacia ella. Por qué ocurre esto? Explica o discute alguna explicación del fenómeno. 12

13 Electrización por Inducción Probablemente el método de electrización más complejo de los métodos estudiados es la electrización por inducción, la cuál consiste en realizar inicialmente una polarización de cargas (es decir, que las cargas positivas del material se vayan a un lado y las negativas a otro del mismo) acercando un objeto cargado al objeto que deseamos cargar. El procedimiento es algo complejo para explicarlo solo con palabras, por lo que te invitamos a revisar y analizar la siguiente ilustración para comprender el método de electrización por inducción. Diagrama explicativo para el proceso de electrización por inducción. 13

14 GUÍA 4. UN DESCUBRIMIENTO, UNA HISTORIA. LA VIDA DE LOS CIENTÍFICOS EN TORNO A LA ELECTRICIDAD Existe un gran número de personas que han dedicado gran parte de su vida y esfuerzos a comprender la naturaleza que nos rodea, y por esa razón en ésta actividad nos preocuparemos de realizar una investigación de las historia de algunos de ellos. Siempre habrá historias que contar respecto de estos personajes, por esta razón, forma un grupo con dos compañeros y compañeras y realiza una investigación bibliográfica (utilizando internet, textos u otros recursos) de los siguientes personajes explicando sus aportes a la comprensión de los fenómenos eléctricos: 1. Tales de Mileto El frotamiento del ámbar con un pañuelo 2. Benjamin Franklin La historia del cometa en una tormenta eléctrica 3. Charles Agustin de Coulomb La ley de atracción de las cargas eléctricas 4. Alessandro Volta El invento de la pila eléctrica 5. Michael Faraday Del electromagnetismo y los motores eléctricos 6. Christian Oersted Relación entre un Imán y la Corriente Eléctrica 7. Andre-Marie Ampère Un imán artificial, el eléctroimán 8. Georg Simon Ohm La famosa ley para definir la Resistencia eléctrica 9. Gustav Robert Kirchhoff El Comportamiento de los Circuitos eléctricos 10. James Clerk Maxwell La Teoría Electromagnética 11. Thomas Alva Edison Una Idea, Un Foco Eléctrico. 12. Nikola Tesla La corriente alterna Con tu grupo, podrás elegir cualquiera de estos personajes sin repetirlo con los demás grupos de tu clase. La entrega de trabajo deberá incluir los siguientes elementos: Un Afiche científico Una presentación PowerPoint. Un resumen escrito a computador para ser entregado a todos los estudiantes del curso al momento de presentar. 14