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Transcripción

1 Unidad Nº5: Los materiales y la electricidad. 1. Electricidad estática por inducción, frotamiento y contacto. Conductores y aislantes. Efecto punta. Tormentas eléctricas y pararrayos. Fuerza eléctrica y campo eléctrico. Electricidad estática Te pasó alguna vez que al sacarte un pulover de lana se te pararon los pelos? O que tocaste el marco metálico de algún objeto y te dio electricidad? Cuando sustancias como los plásticos o el vidrio se frotan con paños de lana o piel se cargan electrostáticamente, es decir, con electricidad estática. Se entiende por electricidad estática a la electricidad acumulada que no se desplaza dentro de un cuerpo. Qué es la electricidad? La palabra electricidad proviene de electron, del latin electrum que a su vez deriva de una palabra griega que significa ambar. El ambar es una resina amarillenta de origen vegetal, dura y combustible. Hace mas de 2500 años el filósofo Tales de Mileto notó que cuando frotaba con piel de oveja un trozo de ambar, este atraia plumas, hilos y partículas pequeñas. Normalmente los átomos tienen igual número de electrones y protones, asi las cargas quedan equillibradas. Los fenómenos eléctricos se manifiestan cuando se altera el equilibrio de cargas. En ello siempre participan electrones, porque a difererencia de los protones pueden moverse por el interior de un cuerpo y tambien pasan a otro cuerpo. Para ponerlo en evidencia basta con frotar varias veces una varilla de plástico con una franela. Se podrá notar que la varilla puede atraer pequeños trozos de papel. Los fenómenos eléctricos no sólo dan lugar a fuerzas de atraccion, sino tambien de repulsión. Sabías que la electrización por frotamiento también se da cuando se acerca una lapicera o una regla frotada con un paño de lana a un chorrito de agua. Averígualo!! Por qué se produce la electrización? Electrización por frotamiento Este tipo de electrización se da por una transferencia de electrones, proceso en que un material pierde electrones y otro gana. Si se somete un cuerpo a ciertas manipulaciones, como por ejemplo, flotarlo, ese cuerpo puede ganar electrones o puede perderlos. Si por ejemplo se frota una lapicera contra un paño de lana, los electrones de esta prenda se transfieren a la lapicera, la cual adquiere una carga eléctrica negativa y el paño, una positiva. La lapicera cargada negativamente tiene la capacidad de atrae ciertos elementos como trozos de papel, los cuales se adhieren a esta. Electrización por inducción En este tipo de electrización no se transfieren electrones de un objeto, sino una modificación en la ubicación de las cargas eléctricas ya existentes en el cuerpo. Por ejemplo, si a un objeto que tiene carga total nula se le acerca un cuerpo cargado positivamente, este atraerá las cargas negativas del objeto y repelerá las positivas. Se puede explicar entonces, cómo es que la lapicera pueden atraer pedacitos de papel sin siguiera tocarlos? Lo que ocurre es que los electrones de los papelitos están enlazados a los átomos, pero cuando se acerca la lapicera con carga negativa, se produce un reordenamiento de cargas, y la región del papel más próxima a la lapicera se carga positivamente. Así es como las cargas opuestas de la lapicera y de los papelitos se atraen. Electrización por contacto Es posible transferir electrones de un material a otro con solo ponerlos en contacto. Por ejemplo, cuando un objeto cargado negativamente se aproxima a otro neutro, parte de la carga negativa del cuerpo cargado se transfiere al cuerpo neutro. Ambos cuerpos quedan cargados con cargas eléctricas del mismo signo, por lo que se repelen. Algunos materiales tienen mayor tendencia a ceder electrones, quedando cargados positivamente, como el vidrio, mientras otros tienen tendencia a captar electrones, quedando cargados negativamente, como el ámbar Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 37

2 Tanto el vidrio como el ámbar van a producir el mismo efecto sobre un péndulo eléctrico aislado, ahora bien, si tomamos dos péndulos eléctricos próximos entre sí y se cargan por contacto, uno con el vidrio y otro con el ámbar, se observará como se acercan uno a otro. Esto es debido a que se han cargado con carga de distinto signo, el péndulo tocado por el vidrio se ha cargado positivamente y el péndulo tocado por el ámbar se ha cargado negativamente. Materiales conductores de la electricidad Por qué los cables de electricidad tienen en su interior hilos de cobre y no de otro material? Por qué los contactos de una lamparita son metálicos? Los electrones no se mueven con la misma facilidad en todos los materiales. Aquellos en que los electrones se mueven con gran facilidad se denominan buenos conductores, lo que significa que conducen bien las cargas eléctricas. Los metales (cobre, bronce, acero, aluminio, plata, oro, etc.) constituyen ejemplos de buenos conductores. Por eso, se usan, por ejemplo, en los cables de electricidad. Las cargas se distribuyen sobre la superficie del conductor y escapan de su interior. Por lo tanto, el interior de un conductor se encuentra siempre vacio de cargas eléctricas, ya que estas se ubican en la superficie. En un conductor de forma esférica, las cargas se distribuirán de modo uniforme sobre toda la superficie. Si se considera un conductor de forma irregular, la concentración de cargas será mayor en las zonas puntiagudas. Esto se conoce como efecto punta. Esto significa que dependiendo de su forma, las cargas eléctricas no se distribuyen de modo uniforme sobre la superficie de un conductor e incluso se concentran en alguna zona de este, como las puntas; sin embargo, las cargas nunca ocupan el interior del conductor. Materiales aislantes de la electricidad Los electrones de otros materiales (como madera, papel, plástico, etc.) están fuertemente ligados a sus átomos y no pueden desplazarse hacia otros átomos del material. Estos materiales son malos conductores de cargas eléctricas y, en consecuencia, decimos que son buenos aislantes. Las tormentas eléctricas Te preguntaste alguna vez como se producen los relámpagos? Debido a sus movimientos, las nubes se cargan de electricidad por frotamiento con el aire. La parte alta de las nubes se carga en forma positiva y la parte baja, en forma negativa. Luego, por inducción, la parte inferior de las nubes, que quedan cargadas negativamente, induce una carga positiva en la superficie terrestre. Todo ello genera una distribución de cargas tal que, cuando estas alcanzan determinada magnitud, pueden originarse fuertes descargas eléctricas entre diferentes puntos de una misma nube con cargas contrarias, entre nubes distintas o entre la nube y la tierra. A estas descargas eléctricas se las denomina rayos. El relámpago es la luz que emite un rayo, aunque también suele darse este nombre a las descargas eléctricas producidas entre las nubes, en cambio el trueno es el sonido que genera, este mismo fenómeno. Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 38

3 El pararrayo Si a los fenómenos de electrización les sumamos el efecto punta, podemos explicar el funcionamiento del pararrayo inventado por benjamín Franklin en Las cargas fluyen con facilidad por un conductor terminado en punto, las nubes de tormenta se cargan negativamente en su base, mientras que la tierra presenta cargas positivas. Si se coloca un pararrayos en lo alto de un edificio y se lo conecta a tierra, las cargas negativas de las nubes son atraídas por las cargas positivas de la tierra y los electrones del pararrayos son repelidos. El pararrayos queda cargado en forma positiva, igual que la tierra. Su punta atrae electrones del aire e impide que se acumulen cargas positivas que podrían originar una descarga entre una nube y el edificio. Pero, si pesa a esto, cae un rayo este será transmitido a tierra por el pararrayo, lo cual evitará que se dañe el edificio. Por lo general, un objeto alto cubre el doble de distancia a la redonda que su altura, es decir que, si el objeto mide veinte metros, todos los rayos que caigan en un radio de cuarenta metros serán atraídos por este. Por lo cual no es necesario poner un pararrayos en cada edificio que se construye en una ciudad. Seguridad durante las tormentas Como los rayos tienen capacidad destructiva, es importante conocer algunas medidas de seguridad que se deben tenerse en cuenta al presenciar una tormenta eléctrica. Por ejemplo, no es conveniente cobijarse debajo de un árbol, debido a que esto funciona como un pararrayo y por lo tanto atrae el rayo. También son peligrosos los postes o estructuras metálicas, como antenas. Tampoco de sebe caminar bajo una tormenta por lugar abierto y plano, como una playa, ya que nuestro cuerpo, por efecto punta, puede atraer el rayo. La Jaula de Faraday Es cualquier recubrimiento metálico, bien conectado, con la característica de aislar el campo eléctrico. De tal modo las descargas que se producen en el exterior de la jaula no afectan el interior. Podemos encontrar ejemplos del efecto de la Jaula de Faraday en nuestra vida cotidiana. Sabías que el lugar más seguro para estar durante una tormenta eléctrica es un coche? Si cerramos todas las ventanillas, la carcasa metálica hace este efecto e impide que los rayos pasen al interior del coche. Lo mismo pasa en los aviones, que durante sus trayectos reciben numerosas descargas eléctricas que los pasajeros ni siquiera notan debido a este efecto. Fuerza eléctrica y campo eléctrico Las cargas eléctricas ejercen fuerza sin estar necesariamente en contacto, y lo hacen a distancia. El modelo teórico que predomina para explicar la forma en que un cuerpo puede ejercer su influencia sobre otro es el de campo eléctrico. Se toma como ejemplo una carga eléctrica aislada en el espacio, la cual se llama carga fuente. Esta afecta el espacio que la rodea, ya que, si se aproxima una segunda carga a la carga fuente, esta segunda carga se verá afectada por la primera, es decir, por el campo eléctrico que genera. La segunda carga se denomina carga de prueba. La acción del campo eléctrico sobre la carga de prueba es la fuerza eléctrica. En resumen: La acción a distancia se explica, entonces diciendo que la carga fuente origina un campo eléctrico en el espacio que la rodea. Este campo eléctrico afecta a la carga de prueba a través de la acción de la fuerza eléctrica. Líneas de campo eléctrico Si la carga fuente es positiva y la carga de prueba es positiva la dirección del campo eléctrico apuntará hacia afuera. En cambio si la carga fuente es negativa, y la carga de prueba positiva, el campo apunta hacia la carga fuente. Estas situaciones pueden dibujarse en un diagrama de líneas de campo eléctrico. El campo es más débil en lo puntos donde las líneas aparecen más separadas. Si hay dos cargas de signo contrario, las líneas de campo emanarán de la carga positiva y terminarán en la carga negativa. La rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por el campo eléctrico de un cuerpo cargado se denomina electrostática. Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 39

4 1. Indica si las siguientes imágenes corresponden a electrización por frotamiento, inducción o contacto y explica el porqué de tu elección. 2. Las siguientes imágenes muestran cuerpos cargados que cuelgan uno cerca del otro. Si el cuerpo rojo tiene carga eléctrica de signo positivo, indica en los dibujos el signo de la carga de cada uno de los otros cuerpos. 3. A un material que tiene carga eléctrica de signo positivo, le agregaron o le quitaron electrones? 4. El telgopor, con carga cero, es atraído cuando se lo acerca al vidrio con carga negativa; cómo puedes explicar esto? Qué ocurriría en el telgopor cuando alejes el vidrio cargado? Qué ocurriría si le acercaras un plástico con carga positiva? 5. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas. Justifica tu respuesta. 6. Observa las siguientes imágenes y luego escribe que recomendaciones de seguridad ante tormentas eléctricas les darías a los personajes de cada imagen. Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 40

5 7. Realiza una pancarta en la que se den recomendaciones en caso de tormentas eléctricas. 8. Cuál es la doble función del pararrayo? Por qué motivo no es necesario poner un pararrayos en cada edificio que se construya? 9. Dibuja las líneas de campo eléctrico, indicando exactamente la dirección de estas. 10. Realiza el siguiente crucigrama: Referencia horizontal: 2. Luz que emite una descarga eléctrica o rayo durante una tormenta eléctrica. 5. En los fenómenos eléctricos participan ciertas partículas subatómicas denominadas 8. Cargas de signo contrario se atraen, mientras que cargas de signo igual se 9. Sonido que emite un rayo durante una tormenta eléctrica. 10. Tipo de electrización en el que se produce un reordenamiento de cargas Referencias verticales: 1. Tipo de electrización que se da por una transferencia de electrones. 3. Materiales cuyos electrones están fuertemente ligados a sus átomos y no pueden desplazarse hacia otros átomos del material. 4. Materiales a través de los cuales los electrones pueden moverse con gran facilidad. 6. Rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por el campo eléctrico de un cuerpo cargado. 7. Inventor del pararrayos Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 41

6 Las chispas Un material aislante eléctrico puede, en determinadas circunstancias, convertirse en conductor. Muchas veces vemos que saltan chispas entre las patas de un enchufe y el tomacorriente o entre la punta de una soldadora eléctrica y el metal que se suelda. Las chispas son producidas por las cargas eléctricas que se mueven entre estos dos puntos a través del aire. En este caso, el aire se ha vuelto conductor. Esto se debe a que la concentración de cargas en los metales llega a ser tan grande que la fuerza entre ellas logra vencer la resistencia del aire al paso de los electrones. Las chispas son una entre tantas manifestaciones de la energía eléctrica. Cuando frotás un cuerpo con un paño y lo cargás eléctricamente, gastás energía para mover el paño de acá para allá. Una parte de esa energía que vos gastás se usa para arrancar cargas del cuerpo y pasarlas al paño (o viceversa). Esta energía queda acumulada en las cargas, y ellas pueden transmitírsela a otros cuerpos. Por ejemplo, cuando encendés una lamparita, se produce luz porque hay cargas eléctricas acumuladas que comienzan a circular por los cables y transmiten su energía al filamento de la lamparita, que la convierte en luz y en calor. 1. La bandeja se carga por contacto o por inducción? Y la tartera? El signo de la carga en la tartera, es el mismo o el opuesto al de la bandeja? 2. Cuando se introduce el dedo, se inducen cargas en su superficie. Explica esto mediante un esquema que muestre el dedo entre la tartera y la bandeja y los signos de todas las cargas. Por qué se producen las chispas? 3. El plástico que sirve de manija pegado a la tartera, es buen conductor o mal conductor de la electricidad? Cómo te das cuenta? 4. Si el plástico que sirve de manija fuera buen conductor, observarías las chispas? Qué sucedería con las cargas si apoyaras la tartera sobre la bandeja plástica cargada? 5. Las pinzas, los destornilladores y otras herramientas metálicas que usan los electricistas tienen los mangos recubiertos de plástico; por qué te parece que esto es así? 6. Cuando frotás la bandeja plástica con el paño se carga eléctricamente con carga negativa. La bandeja cargada tiene la misma cantidad de átomos que cuando está descargada? Tiene la misma cantidad de electrones en ambos casos? Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 42

7 1) Experiencias con la electricidad Materiales: bolsa de residuo de polietileno, tijera, regla. a) Recorte una tira de polietileno de unos 4 cm de ancho y unos 60 cm de largo de la bolsa de residuos. b) Sujete la tira por la mitad con una de tus manos. c) Pase su dedo mayor de la otra mano entre ambas mitades y presione con los dedos anular e índice. d) Mueva la mano rápidamente hacia abajo, frotando la cinta. Repita ese proceso varias veces. e) Retire la mano y observe qué sucede con ambas mitades de la cinta. f) Estando ambas mitades separadas, acerque su mano libre a ellas. Observe que ocurre. 2) Levantando papelitos sin tocarlos Materiales: un peine y algunos papelitos. a) Coloque los papelitos sobre una mesa. b) Frote el peine pasándolo varias veces sobre su cabello limpio y seco. c) Luego de frotarlo acerque el peine a los papelitos. Podrá ver que los papelitos son atraídos por el peine. d) También podrá observar que algunos de los papelitos luego de tomar contacto con el peine son repelidos. Por qué te parece que el peine atrae los papelitos? Al ser frotada, la tira de polietileno adquiere una propiedad llamada electricidad o carga eléctrica. La carga eléctrica puede ser de dos tipos: negativa o positiva. Cuando dos cuerpos tienen o adquieren carga eléctrica del mismo tipo se repelen. Dos cuerpos con carga eléctrica de distinto tipo se atraen. Las fuerzas de atracción o repulsión entre cuerpos con carga eléctrica en reposo, se denominan fuerzas electrostáticas. Al igual que los imanes, las cargas eléctricas se atraen o se repelen aun cuando se encuentran separadas. Se dice entonces que las fuerzas electrostáticas son fuerzas de interacción a distancia. En la actividad 1, las cintas se repelen después de ser frotadas, porque adquieren el mismo tipo de carga eléctrica, que, por convención, se considera negativa. En cambio, al acercar tu mano, ésta atrajo las tiras de polietileno, porque, al frotarlas, tu mano adquirió carga eléctrica positiva, es decir, de signo contrario a la adquirida por el objeto frotado. Para entender cómo se origina la electricidad, hay que recordar cómo está compuesta la materia. La materia está formada por átomos, y éstos a su vez, por electrones, protones y neutrones. Los neutrones y protones forman el núcleo del átomo, y los electrones se mueven alrededor de aquél. Por convención se dice que los protones tienen carga eléctrica positiva y los electrones carga eléctrica negativa. Los neutrones no tienen carga. Los átomos de un cuerpo que no ha sido frotado poseen la misma cantidad de protones que de electrones, por lo tanto el cuerpo se comporta como si fuera eléctricamente neutro, es decir, como si no tuviera carga eléctrica. Cuando se frotan dos cuerpos distintos puede ocurrir que parte de los electrones de uno pasen al otro. Volviendo a la actividad 1, la mano es el cuerpo que pierde electrones, y adquiere carga positiva; el cuerpo que gana esos electrones (la cinta) adquiere carga negativa. En la actividad 2, el peine adquiere cargas negativas al frotarlo sobre tu cabello. Los papelitos tienen sus cargas neutralizadas; sin embargo, al acercar el peine, los electrones que forman los átomos del papel tratarán de alejarse del peine. La parte del papelito más cercana al peine poseerá mas cargas positivas que negativas. Algunos papelitos se caen, puede ocurrir que pasen cargas negativas del peine al papelito, quedando cargado éste negativamente. 3) Chorro de agua que se desvía Materiales: un peine y acceso a una canilla de agua. a) Frote el peine con tu cabello como en la Actividad 2. b) Abra una canilla de modo que salga un pequeño chorro de agua. c) Acerque el peine y observe que ocurre. Por qué se desvía el chorro de agua? Cada una de las moléculas de agua está formada por un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno. Si bien la molécula de agua en conjunto no tiene carga eléctrica, existe una región de carga negativa cercana al átomo de oxígeno y otra positiva junto a los átomos de hidrógeno. En un líquido como el agua, las moléculas se mueven y giran con mucha facilidad. El peine frotado, que ha adquirido carga negativa, ejerce atracción sobre la región de carga positiva de las moléculas de agua, las que se orientan hacia el peine, por esto el chorro de agua es atraído por el peine. Alumno/a: Profesora: Suarez, Nancy Edith 43