ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO 1. ELECTROSTÁTICA: 1. Frotar una regla de plástico con un trozo de lana y acercarla a pequeños papelitos. Qué se observa? 2. a) Con un paño frotar una regla plástica y acercarla al péndulo. Qué se observa? b) Permitir que se produzca el contacto entre la esferita y la regla plástica, qué ocurre este caso? La propiedad por la que, al ser frotados, ciertos cuerpos pueden atraer a otros más pequeños, se conoce desde hace mucho tiempo. Las primeras observaciones de la atracción eléctrica se remontan a la antigua Grecia. Sin embargo, recién en el siglo XVI, un médico inglés llamado W. Gilbert, comenzó el estudio sistemático de los fenómenos eléctricos. El término electricidad proviene de la palabra elektron que en griego significa ámbar. 3. Acercar a la esferita del electroscopio una regla de plástico previamente frotada. Qué ocurre con las hojuelas del electroscopio? Cómo se explica lo observado? Si se aleja la regla, qué ocurre con las hojuelas del electroscopio? El fenómeno se denomina inducción electrostática. 1
El electroscopio permite verificar si un cuerpo está o no cargado eléctricamente y determinar el tipo de carga. Los átomos, están formados por protones, electrones y neutrones. Si en un átomo el número de electrones y protones coinciden, se encuentra eléctricamente neutro. Cuando se quitan uno o más electrones, el átomo se convierte en un ión positivo. Si el átomo adquiere electrones, se convierte en un ión cargado negativamente. A partir de esto, se puede explicar la actividad 1: Al frotarlos, hay una transferencia de electrones. El cuerpo que gana electrones (tiene un excedente de electrones) queda cargad o negativamente. El cuerpo que cede electrones (tiene defecto de electrones) queda cargado positivamente. Conservación de la carga: la suma algebraica de la carga en el universo es constante. Los electrones no se crean ni se destruyen, se transfieren de un material a otro. La carga está cuantizada: En 1909 el físico Robert Millikan descubrió que la carga eléctrica siempre aparece en cantidades que son múltiplos de una unidad fundamental, es decir, la carga eléctrica está cuantizada. Toda carga puede escribirse en la forma: q = n.e donde n es un número entero y e el valor absoluto de la unidad fundamental de carga. El electrón tiene una carga e, mientras que la del protón es +e. Si bien el valor absoluto de la carga del electrón es exactamente igual a la del protón, la masa del protón es casi 2000 veces mayor que la del electrón. La unidad de carga eléctrica se denomina coulomb (C). (Dentro del núcleo atómico existen partículas llamadas quarks cuyas cargas eléctricas son fracciones de la carga del electrón). Ley de Coulomb: la magnitud de la fuerza eléctrica que se ejerce entre dos objetos cargados es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Donde K es la constante electrostática. En el SIMELA y considerando que las cargas se encuentran en el vacío, su valor es: 9.10 9 Nm 2 /C 2. 1. En los vértices de un triángulo hay tres cargas: A, B y C. Se comprueba que A rechaza a B, A atrae a C y B atrae a C. Cuáles podrían ser los signos de A, B y C? Puede haber más de una posibilidad? 2. Algunos materiales se conocen por ser buenos conductores y otros buenos aisladores (o malos conductores). a) Explica cuál es el comportamiento que caracteriza a los conductores y a los aisladores. b) Completa sobre la línea de puntos según sea conductor ( C) o aislador (A). Agua potable... cuerpo humano... vidrio... Materiales plásticos... aire seco... agua pura... Porcelana... madera (seca)... metales... Aire húmedo... 2
3. Dos esferitas tienen una carga de 0,02 µc. Calcular el módulo de la fuerza eléctrica que una esferita ejerce sobre otra si la separación entre ambas es de: a) 2 cm, b) 20 cm, c) 1m. Rta: a)9.10-3 N, b)9.10-5 N, c)3,6.10-6 N 4. Dos cargas puntuales de 0,05.10-6 C se encuentran separadas por una distancia de 10cm. Calcula: a) La fuerza que una ejerce sobre la otra, b) El número de cargas elementales de cada una de ellas. Rta: a) 2,25.10-3 N, b) 3,125.10 11 5. Un objeto tiene una carga neta de 1.0 C. Cuántos electrones en exceso representa? Rta: 6,3.10 18 electrones 6. Calcular el valor de la carga q que al ser enfrentada con otra de igual valor y signo, a una distancia de 1 m, origina una fuerza de repulsión de 1 N. Rta: 1.10-5 C 7. Al caminar sobre una alfombra, una persona adquiere una carga negativa neta de 50 µc. Cuántos electrones en exceso tiene la persona? Rta: 3,125.10 14 electrones 8. Si se pierden electrones al arrastrar los pies sobre una alfombra, Se adquiere carga negativa o positiva? Sabías que... entre los efectos electrostáticos indeseables está las sacudidas que se sufren durante los días secos, al bajar de un coche cuyos asientos están tapizados con telas sintéticas ; se experimenta ese mismo sobresalto al tocar a otra persona después de haber caminado por una alfombra de plástico o la molesta adherencia entre la primera hoja de una carpeta y su tapa de acetato de celulosa, la de la ropa a la piel o la adherencia del polvo y la suciedad a los objetos. 9. Cuál es la fuerza de repulsión entre dos núcleos de argón que están separados por una distancia de 1nm (10-9 m)? La carga de un núcleo de argón es de +18e. Rta: 75 nn 10. Cuál es la fuerza entre dos esferas cargadas, una con 3.10-8 C y la otra con 2.10-9 C, distantes 1 cm? Dicha fuerza es de repulsión o atracción? Justificar. Rta: 0,0054 N 11. Un núcleo de helio tiene una carga de +2e y un núcleo de neón +10e, donde e es la carga de un electrón. Encontrar la fuerza de repulsión ejercida sobre cada uno de ellos debido al otro, cuando se encuentran separados 3 nanómetros (1nm = 10-9 m). Rta: 5,1. 10-10 N = 0,51 nn 12. Un electrón y un protón están separados por 10 cm. Cuál es la magnitud de la fuerza sobre el electrón Rta: 2,3.10-26 N 3
13. La carga eléctrica del núcleo de hidrógeno ( un protón) es igual a la del electrón que gira a su alrededor, aunque de signo contrario: por eso el electrón de un átomo de hidrógeno orbita atraído por su núcleo. El radio de la órbita es de 5,3.10-11 m. Calcular la fuerza electrostática entre dichas partículas. Rta: 8,2.10-8 N 14. Un electrón se encuentra ubicado a una cierta distancia de una partícula cargada y experimenta una fuerza de atracción de magnitud F. Si se duplica el valor de la distancia, la magnitud de la nueva fuerza de interacción F es: a) F = 2 F b) F = 4 F c) F =1/2 F d) F =1/4 F e) F = F f) Ninguna de las anteriores. 15. Tres cargas están localizadas en los vértices de un triángulo equilátero, como se ilustra en la figura. Dibuja sobre cada carga los vectores que representan las fuerzas aplicadas entre ellas. + q 1 +q 2 -q 3 16. La gráfica representa la variación de la fuerza con la que se atraen dos cargas de igual valor pero de signos contrarios, en función de la distancia que las separa. Determina: a) A qué distancia se atraen con una fuerza de intensidad 10 N? Con qué fuerza se atraen cuando están separadas 3 cm? Si las cargas están en el vacío, cuál es el valor de cada carga? 17. Qué es un semiconductor? 18. Qué es un superconductor? (Se puede consultar Física conceptual en biblioteca). 4
2. MAGNETISMO TRABAJO PRÁCTICO OBJETIVOS: Clasificar materiales según su comportamiento frente a un imán. Diferenciar los polos de un imán. Observar las líneas de un campo magnético. 1. Imán Limaduras de hierro Papel Trozo de madera Broches para hojas Acero Trozos de corcho /telgopor a) Colocar una pequeña porción de limaduras de hierro sobre una hoja de papel y acercar el imán. Qué se observa? b) Acercar el imán a los trozos de corcho. Qué se observa? c) De la misma forma verificar el comportamiento de los restantes materiales. Separarlos en dos grupos indicando cuáles son atraídos por el imán y cuáles no. No todos los materiales presentan características magnéticas. Por ejemplo el hierro, el níquel y el cobalto y aleaciones como el acero se denominan ferromagnéticos. 2. Imanes (2) a) Colocar uno de los imanes sobre la mesada y acercar a uno de sus extremos, un polo del otro imán. Qué ocurre? b) Invertir el imán que se sostiene y acercarlo al mismo extremo del imán que está apoyado sobre la mesada. Qué se observa? 5
Podemos distinguir dos polos: a uno de los polos de un imán se lo denomina polo norte y al otro polo sur. Además, polos magnéticos iguales.. y polos magnéticos contrarios 3. Imán (1) Broches para hojas/ganchitos (10) a) Sostener un imán. Acercar a uno de sus polos el extremo de un ganchito de acero, un segundo ganchito al extremo del primero. Continuar formando una cadena. b) Hacer un esquema. c) Explicar lo observado. 4. Imanes de barra (2) Limaduras de hierro Folio transparente o cartón (1) a) Colocar el cartón o folio transparente sobre un imán y espolvorear limaduras de hierro sobre el cartón. Qué se observa? Realizar un esquema. b) Colocar los dos imanes enfrentando polos del mismo nombre (a una distancia de 2 cm aproximadamente). Ubicar el cartón o folio sobre los imanes y distribuir las limaduras de hierro. Qué se observa? Realizar un esquema. c) Colocar los dos imanes enfrentando el polo norte de un imán y el polo sur del otro imán (una distancia de 2 cm aproximadamente). Ubicar el cartón o folio sobre los imanes y distribuir las limaduras de hierro. Qué se observa? Realizar un esquema. Las limaduras de hierro se ordenan poniendo en evidencia las llamadas líneas de inducción de un campo magnético. El conjunto constituye un espectro magnético. Un imán modifica las propiedades del espacio que lo rodea, es decir, se comprueban fenómenos que no se observan en ausencia del imán como, por ejemplo, fuerzas de interacción. Diremos que en ese espacio existe un campo magnético. CONCLUSIÓN: 6
PARA INVESTIGAR Y RESPONDER: 1) Por qué se orienta una brújula? 2) A qué se denomina ángulo de declinación magnética? Hacer un esquema. A modo de resumen. En las proximidades de la Tierra, existe un campo gravitatorio, o sea un espacio en el que se manifiestan las fuerzas de atracción gravitatoria. Una partícula cargada tendrá, así, un campo eléctrico, o espacio próximo donde, si se coloca otra partícula cargada, recibirá fuerzas de atracción o repulsión. Alrededor de un imán existe un campo magnético, es decir una región donde se comprueban fenómenos que no se observaban en ausencia del imán. 7