ÁREA:_CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL (FÍSICA)

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1 GUÍA DE TRABAJO Versión: 1 Código: DA-FO-431 ÁREA:_CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL (FÍSICA) GRADO:_11 JORNADA: Mañana - Tarde PERÍODO:_I I_ FECHA: TEMA: ELÉCTROSTÁTICA. ESTUDIANTE: GRUPO: 1. HISTORIA DE LA ELECTRICIDAD La electricidad siempre ha existido, es parte de la naturaleza que nos rodea; el hombre sólo la ha descubierto. Esta electricidad natural se denomina "electricidad estática". Las primeras noticias del descubrimiento de la electricidad se remontan al siglo VII a. C. cuando Tales de Mileto ( a. C.), uno de los Siete Grandes Sabios de la antigua Grecia, descubrió que al frotar un trozo de ámbar (resina fosilizada) con un paño, éste empezaba a atraer pequeñas partículas como hojas secas, plumas e hilos de tejido. Tales de Mileto creyó que esto se producía debido a un "espíritu" que se encontraba dentro del ámbar, al cual llamó elecktron y de ello se deriva la palabra electricidad. A pesar de estos primeros estudios, ni la civilización Griega en su apogeo, ni Roma en su esplendor, ni el mundo feudal europeo contribuyeron de manera significativa a la comprensión de la electricidad y del magnetismo, ni de la interactividad de ambos (llamado electromagnetismo). Durante toda la edad media la ciencia cayó en una época oscura en la cual las creencias religiosas "la amordazaron de pies y manos". Con el Renacimiento se produjo en Europa un cambio importante y las ciencias tomaron un nuevo impulso. En 1600, Guillermo Gilbert, médico privado de la reina Elizabeth, realizó rudimentarios experimentos, los que se convertirían en los antecedentes de la energía eléctrica (de la forma que conocemos a la electricidad actualmente). Gilbert publicó en latín un tratado titulado "De Magnete", sobre el magnetismo y las propiedades de atracción del ámbar. Se sumó a esto las observaciones del jesuita italiano Niccolo Cabeo, en 1629, quien determinó que los cuerpos cargados previamente por frotación, unas veces se atraían y otras se repelían. Otto Von Guericke, de Magdeburgo (inventor de la primera máquina neumática) construyó en 1660, la primera máquina que generó una carga eléctrica. Esta máquina era una gran bola de azufre atravesada de parte a parte por una varilla montada sobre dos ranuras, formando un eje. Con ayuda de una manivela y de una correa se le imprimía un rápido movimiento de rotación, las manos aplicadas contra la bola producían una carga mucho mayor que el frotamiento ordinario. Van de Graff mejoró esta máquina electrostática tal como la conocemos actualmente, llegando a generar grandes cantidades de electricidad.

2 Sin embargo, aún los conocimientos sobre la electricidad no pasaban de fenómenos de laboratorio. El distinguido hombre de ciencias francés Carlos Dufay creyó haber descubierto en 1733 dos clases distintas de electricidad e hizo notar que los objetos cargados con el mismo tipo de electricidad se repelían, mientras que los cargados con tipos diferentes se atraían, logrando un avance sobre los estudios del italiano Cabeo un siglo atrás al considerar que esto de debía a la presencia de cargas diferentes (positivas y negativas). En los Estados Unidos, en 1752, aprovechando una tormenta, el científico Benjamin Franklin elevó una cometa provista de una fina punta metálica y de un largo hilo de seda, a cuyo extremo ató una llave. La punta metálica de la cometa consiguió captar la electricidad de la atmósfera, la cual produjo varias chispas en la llave. Con este experimento Franklin llegó a demostrar dos cosas: que la materia que compone el rayo es idéntica a la de la electricidad, y que un conductor de forma aguda y de cierta longitud puede emplearse como descarga de seguridad de las nubes tormentosas. Estas conclusiones le sirvieron para inventar el pararrayos. Aunque actualmente sabemos que la gran variedad de características que poseen los rayos impide garantizar la seguridad absoluta, la estadística señala que un edificio sin protección tiene 57 veces más probabilidades de ser alcanzado por una descarga que otro debidamente protegido. El científico francés Charles Augustin Coulomb ( ) inventó la balanza de torsión. Para ello cargó una esfera fija con una carga q1 y otra esfera, situada en el extremo de una varilla colgada, con una carga q 2. La fuerza ejercida por q1 sobre q2 tuerce la varilla y la fibra de la que cuelga. Dichas mediciones permitieron determinar que la fuerza de interacción entre dos cargas q 1 y q 2, duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres, y así sucesivamente. Concluyó entonces que el valor de la fuerza era proporcional al producto de las cargas: F α q 1 q 2 Tres décadas después, en 1780, Luis Galvani, profesor de anatomía de la Universidad de Bolonia, Italia, realizó un experimento donde observó que las patas de una rana recién muerta se crispaban y pataleaban al tocárselas con 2 barras de metales diferentes. Galvani atribuyó esto a una electricidad propia de los seres vivos. Sin embargo la explicación del fenómeno la dio poco tiempo después Alejandro Volta, profesor de Física de la Universidad de Pavía, Italia, quien en 1793, descubrió que la causa de tales movimientos se hallaba en el paso de una corriente eléctrica producida por los dos metales diferentes.

3 Después de dicho descubrimiento Volta investigó como producir electricidad por reacciones químicas y en el año 1800 inventó un dispositivo conocido como la "Pila de Volta", que producía cargas eléctricas por una reacción química originada en dos placas de zinc y cobre sumergidas en ácido sulfúrico. En honor a Volta se denominó a la diferencia de potencial suficiente para producir una corriente eléctrica como el "voltio". Los avances más importantes se han verificado a partir de esta invención, ya que el hombre pudo disponer por primera vez de una fuente continua de electricidad. Cualquier pila de las numerosísimas que hoy en día son de uso tan corriente, está basada en el mismo funcionamiento ideado por Alejandro Volta. Por otro lado, en 1820 el físico danés profesor Hans Christian Oersted, mientras explicaba algunos experimentos a sus alumnos, descubrió un hecho de fundamental importancia: que toda corriente que fluye a través de un alambre produce una desviación de la posición ordinaria de las agujas magnéticas próximas. Este hecho reveló a los científicos que el paso de la corriente eléctrica por un alambre producía un campo magnético a su alrededor. Con ello quedaba demostrado para la ciencia moderna la interactividad entre la electricidad y el magnetismo. El alemán Georg Ohm formuló en 1827 la famosa Ley que lleva su nombre, según la cual, dentro de un circuito, la corriente es directamente proporcional a la presión eléctrica o tensión, e inversamente proporcional a la resistencia de los conductores. Pocos años después (1831) Miguel Faraday descubrió el Dinamo, es decir el generador eléctrico, cuando se dio cuenta de que un imán en movimiento, dentro de un disco de cobre, era capaz de producir electricidad. Hasta ese momento la controversia entorno a la fuente de electricidad voltaica estaba íntimamente ligada a la electrólisis. Fue Faraday quien desentrañó los problemas y creó la terminología fundamental: electrólito, electrólisis, ánodo, cátodo, ion, que todavía se emplean hoy. En 1879 Thomas Alva Edison, inventó la lampara incandescente, empleando filamentos de platino alimentados a sólo 10 voltios. Esto fue un gran avance para la masificación del uso de la energía eléctrica. Posteriormente George Westinghouse en 1886 montó una instalación de ensayo de alumbrado de corriente alterna. Los primeros sistemas utilizaban el circuito único de dos hilos. Nicolás Tesla, fue el primero en preconizar un ingenioso sistema "polifásico" gracias al cual el generador de corriente alterna produce varias corrientes simultáneas idénticas pero desfasadas unas de otras, el sistema Tesla ha sido la clave de la explotación industrial de la corriente alterna. Tesla lo dio a conocer por primera vez en 1888 y el grupo Westinghouse no tardó en utilizarlo.

4 Hacia 1889 tanto en América como en Europa se instalaron muchas fábricas y se comenzó a desarrollar y optimizar el consumo de la energía eléctrica, tendiéndose mejores líneas, construyéndose centrales de generación y perfeccionándose mejores lámparas. Casi todas las grandes ciudades y capitales contaban con alumbrado eléctrico, dejando de lado el alumbrado a gas. La primera línea eléctrica fue tendida por Siemens en Lichterfelde, cerca de Berlín, en 1881, pronto siguieron otras en Francia, en Inglaterra y en los Estados Unidos. 2. ELECTROSTÁTICA A la rama de la Física que estudia las propiedades y fenómenos producidos por las cargas en reposo se le llama electrostática". Aunque una cantidad enorme de fenómenos eléctricos se deben al movimiento de las cargas, para poder entender el comportamiento de éstas en movimiento, debemos comprender primero la electrostática; además, es importante por sí misma, porque nos ayuda a entender la estructura de la materia, ya que muchas de las fuerzas que explican la estructura de los átomos y las moléculas, son de origen electrostático. Por otro lado, cada vez es mayor el número de aparatos que se basan en los principios de la electrostática: Aceleradores de alta energía, altoparlantes electrostáticos, precipitadores eléctricos, etc. 2.1 CONCEPTO DE CARGA ELÉCTRICA. Es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. Se define como una propiedad intrínseca de la materia, que permite cuantificar la pérdida o ganancia de electrones a través de la separación de las cargas eléctricas del átomo y su movimiento. Todos los cuerpos en la naturaleza están compuestos por átomos y éstos, a su vez están constituidos por un núcleo y una corteza (órbitas). En el núcleo se encuentran muy firmemente unidos los protones y los neutrones; los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. Alrededor del núcleo se encuentran las órbitas sobre las cuales giran los electrones, con carga negativa. Ambas partículas presentan la misma la carga eléctrica pero de signo contrario. El electrón es la partícula que lleva la menor carga eléctrica que se puede aislar. En el Sistema Internacional de unidades la carga Eléctrica se puede representar con q o Q y sus unidades de medida se denominan Coulomb (C). PARTÍCULA MASA CARGA ELÉCTRICA Electrón 1,6725 x Kg -1,602 x C Protón 1,6750 x Kg 1,602 x C Neutrón 9,1091 x Kg 0C En el caso de que un cuerpo tenga más electrones que protones se dice que está cargado negativamente y si tiene más protones que electrones se dice que está cargado positivamente. Cuando la cantidad de protones y electrones es la misma, la carga es nula o neutra (el cuerpo no está cargado). En el siguiente diagrama se presentan dos cuerpos con carga nula o neutra.

5 Para que un cuerpo se cargue, ya sea positiva o negativamente, tiene que verse afectado de alguna manera. Una forma de alterar el cuerpo (suponer un metal), es calentarlo. En este caso el cuerpo adquiere más o menos electrones, pues el número de protones permanece generalmente constante. Cuando los electrones pasan de un cuerpo a otro, el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente y el que gana electrones se carga negativamente 2.2 PROCESOS DE ELECTRIZACIÓN. Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número de cargas positivas y negativas. FORMAS DE ELECTRIZACIÓN Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo, como aprecio Tales de Mileto en el siglo sexto antes de Cristo. Electrización por frotamiento. La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual

6 al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas. Electrización por contacto. La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones. Electrización por inducción. Conductores, aisladores y semiconductores. La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro. Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los segundos conductores. Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semi-libertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.

7 SERIE TRIBOELÉCTRICA. Ya percibiste alguna vez cuando rozaste los cabellos secos y después sentiste que estaban electrificados? Y percibiste cuando acercabas el peine de plástico del cabello y tus pelos quedan atraídos por él? Cómo sabemos que fue el cabello que transfirió electrones para el peine y no al contrario? Existe una lista que ayuda a determinar esa ocurrencia, se trata de la serie triboeléctrica. Una serie triboeléctrica es una lista de aquellos materiales que, durante la electrificación por fricción, quedan cargados positivamente hasta los que quedan cargados negativamente. Esta serie ordena los materiales que se electrifican por fricción en cuanto a la tendencia que poseen de perder electrones, es decir, en cuanto a la facilidad de quedar cargados positivamente. Veamos a continuación la serie triboeléctrica:

8 2.3 Fuerza electrostática Los átomos que están presentes en todos los cuerpos, están compuestos de electrones, protones y neutrones. Los tres tienen masa pero solamente el electrón y el protón tienen carga. El protón tiene carga positiva y el electrón tiene carga negativa. Si se colocan dos electrones (carga negativa los dos) a una distancia r, estos se repelerán con una fuerza F. Esta fuerza depende de la distancia r entre los electrones y la carga de ambos. Esta fuerza F es llamada Fuerza electrostática. Si en vez de utilizar electrones se utilizan protones, la fuerza será también de repulsión pues las cargas son iguales. La fuerza electrostática cambiará de repulsiva a atractiva, si en vez de poner dos elementos de carga igual, se ponen se cargas opuestas. El que la fuerza electrostática sea de atracción o de repulsión depende de los signos de las cargas: cargas negativas frente a frente se repelen cargas positivas frente a frente se repelen carga positiva frente a carga negativa se atraen un electrón con un neutrón no generan ninguna fuerza un protón con un neutrón no generan ninguna fuerza LEY DE COULOMB. Uno de los principios fundamentales de la electrostática dice que dos cargas con el mismo signo se repelen mientras que dos cargas con distinto signo se atraen, el poder de atracción o repulsión de dos cargas eléctricas nos lo da la ley de Coulomb que dice: F = Fuerza atracción Q = Carga del cuerpo d = Distancia La fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos es directamente proporcional a las cargas eléctricas que ambos poseen e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa Como la fuerza de atracción del núcleo sobre los electrones, debido a la Ley de Coulomb, es tanto menor cuanto más alejada está la órbita, el átomo cederá o tomará electrones sólo en su última órbita. Los electrones de la última órbita están en disposición, pues, de dejar dicha órbita; a estos electrones de la última órbita se le denomina electrones de valencia. Ya hemos dicho que el electrón (o el protón, puesto que tienen la misma carga) es la unidad elemental de carga eléctrica; esta unidad de carga se nos queda muy pequeña, ya que en un solo centímetro de material hay millones de electrones. 2.4 CAMPO ELÉCTRICO. El campo eléctrico existe cuando existe una carga y representa el vínculo entre ésta y otra carga al momento de determinar la interacción entre ambas y las fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo vectorial) y se representa por medio de líneas de campo. Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante. La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E. La unidad con la que se mide es: Al existir una carga sabemos que hay un campo eléctrico entrante o saliente de la misma, pero éste es

9 comprobable únicamente al incluir una segunda carga (denominada carga de prueba) y medir la existencia de una fuerza sobre esta segunda carga. Algunas características del campo eléctrico son: - En el interior de un conductor el campo eléctrico es 0. - En un conductor con cargas eléctricas, las mismas se encuentran en la superficie. Representación del campo. Un campo se representa dibujando las llamadas líneas de campo. Para el campo creado por una carga puntual, las líneas de campo son radiales. Para el caso de un campo creado por dos cargas puntuales iguales del mismo signo: Para el caso de un campo creado por dos cargas puntuales iguales de distinto signo: Las líneas de campo no se pueden cortar, porque si lo hicieran en un punto habría dos valores distintos de intensidad de campo E. Un campo eléctrico muy útil es el que se crea entre dos placas metálicas y paralelas (CONDENSADOR) conectadas a un generador de corriente continua; de ese modo las placas adquieren carga igual pero de signo contrario y en la zona que existe entre ellas se crea un campo uniforme. 2.5 POTENCIAL ELÉCTRICO. Se conoce como potencial eléctrico al trabajo que un campo electrostático tiene que llevar a cabo para movilizar una carga positiva unitaria de un punto hacia otro. Puede decirse, por lo tanto, que el trabajo a concretar por una fuerza externa para mover una carga desde un punto referente hasta otro es el potencial eléctrico; es una característica de la influencia eléctrica ejercida por la carga sobre ese punto del espacio. Cabe mencionar que no se debe confundir este concepto con el de energía potencial eléctrica, aunque ambos estén relacionados en algunos casos, ya que este último es la energía que tiene un sistema de cargas eléctricas de acuerdo con su posición.

10 Los voltios y los joules (o julios) son las unidades que se emplean para expresar el potencial eléctrico. BIBLIOGRAFÍA Bautista, M. (2014). Los caminos del saber, Física 1. Bogotá: Santillana. Slisko, J. (2009). El gimnasio de la mente, Física 1. México: Pearson Educación. Lara, A. (2006). Física 1: un enfoque constructivista. México: Pearson Educación. CIBERGRAFÍA s.html