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1983 –2017

COLEGIO SANTA SABINA - CONCEPCION

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8° Básico

Prof. Ingrid Fuentes N.

Guía N° 3: ““Electrostática – Formas de electrizar un cuerpo” DEPARTAMENTO DE CIENCIAS - I Semestre 2017

NOMBRE: _______________________________________________________CURSO: 8° Básico_____

FECHA: _________________ UNIDAD N° 1: “Electricidad y calor”

OA 8 Analizar las fuerzas eléctricas, considerando: Los tipos de electricidad, Los métodos de electrización (fricción, contacto e inducción), La planificación, conducción y evaluación de experimentos para evidenciar las interacciones eléctricas, La evaluación de los riesgos en la vida cotidiana y las posibles soluciones.

I. ELECTROESTÁTICA

Los fenómenos eléctricos son estudiados por la electrostática, rama de la Física que estudia las cargas eléctricas en reposo, las fuerzas que se ejercen entre ellas y su comportamiento al interior de los materiales. Es importante considerar que la electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, y que a partir de 1820, con la experiencia de Hans Cristian Oersted con corrientes eléctricas, se inicia el electromagnetismo, rama de la Física que estudia la relación entre ambos temas. 1. Origen de la electricidad Los primeros estudios que se conocen relacionados con la electricidad se hicieron en la antigua Grecia, alrededor del siglo VI a. C. EL filósofo y matemático Tales (628 – 543 a.C.), que vivió en la ciudad de Mileto, observó que un trozo ámbar (es un mineral amarillento que proviene de la fosilización de resinas de árboles de madera blanda), después de ser frotado con una piel de animal, adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros (como trozos de paja, y pequeñas semillas secas). El Científico William Gilbert (1544-1603) fue quien cuñó el término “electricidad” por analogía con la palabra “elektron”, que en griego significa “ámbar”. En el año 1600, él inventó un dispositivo que puede identificar la presencia de carga eléctrica en un objeto y que denominó versorio. Gilbert también realizó la primera clasificación de los materiales según sus propiedades eléctricas en: materiales eléctricos (aquellos que al ser frotados adquirían electricidad, como el vidrio, el azufre o la sal), y materiales no eléctricos (a los que no tenían esta capacidad, como los metales) El científico francés Charles François du Fay (1698-1739), en 1734, realizó una serie de experimentos y concluyó que existían dos tipos de electricidad, a los que llamó vítrea y resinosa, según los materiales que utilizo en la experimentación, estos eran una varilla de vidrio y una de resina. Propuso que todos los materiales son eléctricos, rechazando lo que había señalado William Gilbert (los materiales no eléctricos, bastaba con frotarlos con seda para que fueran capaces de atraer objetos). Benjamín Franklin (1706-1790), durante el siglo XVIII, asigno de manera arbitraria los términos de cargas positivas (+) y cargas negativas (-) a los dos tipos de carga eléctrica. Él pensaba que la electricidad consistía en un fluido único que permanecía de manera equilibrada en los cuerpos neutros: cuando contenían poco de este fluido se encontraban cargados negativamente, y si lo poseían en exceso, se encontraban cargados positivamente. Las conclusiones de los estudios realizados por Franklin sobre las interacciones entre cargas pueden resumirse en los siguientes puntos: - Existen dos tipos de carga eléctrica, positiva y negativa. - Cuando se acercan dos cuerpos con cargas eléctricas iguales, estos se repelen. - Si se acercan dos cuerpos con cargas eléctricas diferentes, estos se atraen. - Los cuerpos sin carga (neutros) pueden ser atraídos por cuerpos de cualquier carga. El físico Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), estudió el comportamiento de la fuerza eléctrica y planteó la Ley de Coulomb que postula lo siguiente:

1. Mientras mayor sea la magnitud de las cargas que están interactuando, mayor será la intensidad de la fuerza eléctrica entre ellas.

2. Mientras mayor sea la distancia entre las cargas, menor será la intensidad de la fuerza eléctrica.

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En la actualidad sabemos que todas las sustancias pueden presentar un comportamiento similar al ámbar; es decir, pueden electrizarse al ser frotadas con otra sustancia. Por ejemplo, una regla de plástico se electriza cuando la frotamos con seda y puede atraer una bolita de “plumavit”, un peine se electriza cuando se le frota contra el cabello y luego puede atraer ya sea al cabello o a un hilo de agua, etc. 2. La Carga Eléctrica La materia que nos rodea está formada por átomos que constan, a su vez, de protones, neutrones y electrones. Los protones y electrones tienen una propiedad que se conoce con el nombre de carga eléctrica, los neutrones no tienen carga eléctrica. La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de las partículas elementales, así como la masa. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos: - Los protones tienen carga eléctrica positiva. - Los electrones tienen carga eléctrica negativa.

Sin embargo, los cuerpos normalmente son neutros. Cuando un átomo - o un cuerpo - tiene la misma cantidad de cargas positivas (protones) y negativas (electrones) se dice que está eléctricamente neutro, es decir sus átomos permanecen con una carga neta igual a cero. Cuando algún fenómeno hace que los átomos que conforman un cuerpo pierdan o ganen electrones, se produce un desequilibrio entre la cantidad de electrones y protones, y se dice que este cuerpo está electrizado. El cuerpo que pierde electrones queda con carga positiva y el que recibe electrones queda con carga negativa. La carga eléctrica del protón es +e o simplemente e y la carga eléctrica del electrón es –e.

Como son los electrones los que se mueven de un cuerpo a otro, se estableció al electrón como la partícula fundamental que porta carga eléctrica. Se llama carga eléctrica (q) al exceso (-q) o déficit (+q) de electrones que posee un cuerpo respecto al estado neutro. La carga neta corresponde a la suma algebraica de todas las cargas que posee un cuerpo.

En el Sistema Internacional, la unidad de carga eléctrica es el coulomb (C). 1 C es la carga obtenida al reunir 6,24 x 1018 electrones. También se usan con mayor frecuencia los submúltiplos del coulomb: el microcoulomb ( C) que equivale a 10-6 C. 1 C = 6,24 · 1018 electrones

Algunas propiedades de un cuerpo cargado eléctricamente: - La carga eléctrica permite cuantificar el estado de electrización de los cuerpos siendo su unidad mínima la carga del electrón. Esto significa que un cuerpo sólo puede recibir cantidades determinadas por números enteros de electrones, que es la unidad elemental de carga eléctrica, decimos entonces que la carga eléctrica q de un cuerpo está cuantizada pues los electrones no se puede dividir en fracciones, el objeto no puede poseer una carga igual a 1.5 electrones, esto significa que la carga del objeto es un múltiplo entero de la carga del electrón, y se puede expresar como 𝒏 ∙ 𝒒, en que n es un número entero n= 1, 2, 3…. Este fenómeno fue descubierto por Robert Millikan, en 1909. - A mediados del siglo XVIII, el físico estadounidense Benjamín Franklin demostró que dos cargas eléctricas de igual signo se repelen y dos cargas eléctricas de distinto signo se atraen. La atracción o repulsión entre cuerpos cargados eléctricamente se debe a la existencia de fuerzas eléctricas de atracción o repulsión.

Tabla ¡: Cargas en el átomo

Partícula Valor de la carga Masa

Carga del electrón -e =- 1.60219 x 10-19 C me= 9.109 x 10-31 kg

Carga del protón +e = 1.60219 x 10-19 C mp= 1.673 x 10-27 kg

Carga del neutrón 0 mn= 1.675 x 10-27 kg

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Dos cargas eléctricas de “igual signo” se repelen Dos cargas eléctricas de “distinto signo” se atraen

Por medio de un electroscopio (instrumento detector de carga) se puede comprobar que un cuerpo está electrizado y que los cuerpos electrizados con el mismo signo se repelen y los cuerpos electrizados con signo distinto se atraen. - Alrededor de un cuerpo cargado eléctricamente se forma una zona en donde otro cuerpo también cargado eléctricamente es atraído o repelido por la primera. A esta zona se le llama campo eléctrico. - La cantidad de carga eléctrica se conserva. Es decir, si consideramos las cargas eléctricas de los cuerpos que interactúan entre sí, la suma total se mantiene constante. Se verifica, entonces, que si un cuerpo “pierde” carga eléctrica hay otro u otros que la están “ganando” para sí. Los electrones no se crean ni se destruyen, sino que simplemente se transfieren de un material a otro. Cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de carga que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro. La carga se conserva. En todo proceso, ya sea en gran escala o en el nivel atómico y nuclear, se aplica el concepto de conservación de la carga. Jamás se ha observado caso alguno de creación o destrucción de carga neta. Todo objeto con carga eléctrica tiene un exceso o una deficiencia de cierto número entero de electrones. * La polarización de carga: consiste en un reordenamiento de las cargas eléctricas al interior de un cuerpo (átomos y moléculas). Por inducción, un lado del átomo o molécula se hace ligeramente más positivo (o negativo) que el lado opuesto. Se dice entonces, que el átomo o molécula (cuerpo) tiene la carga eléctrica polarizada cuando la carga negativa está en un extremo y en el otro está la carga positiva. Como resultado se produce una atracción entre ambos cuerpos, sin embargo la carga neta del cuerpo permanece nula. 3. Formas de Electrizar un cuerpo

Al observar lo que sucede cuando frotamos con nuestra ropa una regla plástica y la acercamos a las hojas de un cuaderno o al “hilo” de agua que cae por una llave de agua, entre otros ejemplos, podemos inferir que la materia se puede electrizar. Un cuerpo eléctricamente neutro se electriza cuando gana o pierde electrones.

Existen tres formas básicas de modificar la carga neta de un cuerpo: electrización por frotamiento, contacto e inducción. En todos estos mecanismos siempre está presente el principio de conservación de la carga, que nos dice que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro. a) Electrización por frotamiento o carga por fricción: cuando un objeto se frota con otro, sus átomos

interactúan, y se produce una transferencia de electrones entre un cuerpo y otro. El cuerpo que pierde electrones queda cargado positivamente y el cuerpo que gana electrones queda cargado negativamente. Por ejemplo: Al caminar o arrastrar los pies sobre una alfombra nosotros podemos recoger una carga neta de la alfombra. Si luego tocamos un objeto metálico, como la perilla de una puerta, podemos resultar sorprendidos tras ver la formación de una chispa. Nuestra carga negativa produce una fuerza eléctrica suficientemente grande como para ionizar (o sea, liberar electrones) las moléculas de aire entre la mano y la perilla. El flujo resultante de electrones liberados da lugar a la chispa descargada que nosotros en ocasiones vemos y sentimos entre nuestra mano y el metal.

b) Electrización por contacto o por conducción: se produce cuando un cuerpo inicialmente electrizado, negativa o positivamente, toca a un cuerpo neutro, el contacto produce una transferencia de electrones. Mientras dura el contacto, el cuerpo que está cargado le traspasa, a nivel superficial, parte de su exceso de electrones al que antes estaba neutro. De esta forma, el cuerpo que estaba neutro quedará cargado negativamente y el que estaba cargado previamente lo seguirá estando, pero con menor carga que la que tenía antes del contacto. Al final del proceso, ambos cuerpos quedan cargados negativamente y la carga total del conjunto de los dos cuerpos se mantiene constante.

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c) Electrización por inducción: Al igual que en el método anterior, para cargar un cuerpo neutro por

inducción necesitamos un cuerpo cargado eléctricamente. Para comprender este tipo de electrización supongamos que el cuerpo cargado tiene carga negativa. Observemos las siguientes imágenes:

En las imágenes se observa que en (a) las esferas sin carga están en contacto, de modo que forman en efecto un solo conductor sin carga. En (b) se acerca una barra con carga negativa a la esfera A sin que haya contacto entre ellos. La barra repele los electrones del metal y el exceso de carga negativa se desplaza hacia la esfera B, con lo cual la esfera A queda con un exceso de carga positiva. En otras palabras se produce una polarización o reordenamiento de las cargas eléctricas, debido a que el cuerpo cargado negativamente atrae la carga positiva del que está neutro. En el dibujo (c) las esferas A y B se han separado y la barra esta todavía presente. En el dibujo (d) se ha retirado la barra. Las esferas quedan con cargas iguales y opuestas: se han cargado por inducción. Como la barra con carga no toca las esferas, conserva su carga inicial. Podemos cargar una sola esfera de manera similar si la tocamos cuando las cargas se han separado por inducción. Consideremos una esfera metálica que cuelga de un cordel no conductor, como se muestra en la siguiente figura: En el dibujo (a) la carga neta de la esfera metálica es cero. En (b) la presencia de la barra con carga induce una redistribución de la carga. La carga neta de la esfera es todavía cero. En (c) se extraen electrones al tocar con la mano el lado negativo de la esfera. En (d) la esfera queda con carga positiva. En el dibujo (e) la barra negativa atrae la esfera, la cual se balancea y toca la barra, La esfera se ha cargado negativamente por contacto. En el dibujo (f) la barra negativa repele la esfera negativa. Cuando un cuerpo polarizado se conecta a tierra (o simplemente se lo toca) se produce una transferencia de cargas (electrones) desde o hacia el cuerpo. Como consecuencia del ingreso o salida de electrones el cuerpo polarizado (inicialmente neutro) adquiere carga neta. Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre. Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho por medio de su famoso experimento de la cometa o volantín, que le permitió probar que los rayos son un fenómeno eléctrico. Casi todos los rayos son descargas eléctricas entre dos regiones de una nube con cargas contrarias, pero los más conocidos para nosotros

son descargas eléctricas entre las nubes y el suelo, de carga opuesta. Benjamín Franklin descubrió también, que la carga fluye con facilidad hacia o desde los objetos puntiagudos, y así construyó el primer pararrayos. Si se coloca el pararrayos en lo alto de una estructura conectada a tierra, la punta del pararrayos recoge electrones del aire e impide que se acumule una gran cantidad de carga positiva en el edificio por inducción. El propósito primordial del pararrayos es impedir que ocurra una descarga eléctrica, ya que el pararrayos conduce la carga a tierra y evita así que se dañe la estructura de cualquier casa o edificio.

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Series Triboeléctricas Las series triboeléctricas (en griego tribos significa “rozamiento”), son listas que se han creado para ordenan materiales según su afinidad relativa por captar electrones. Si dos materiales se ponen en contacto mediante frotamiento, se transfieren electrones desde el ubicado en la zona superior hacia el situado en la zona inferior. Es decir el que está más arriba cede electrones y se carga positivamente. Actividad: Analiza con qué carga terminará cada material de los siguientes pares luego de ser frotados entre sí: 1. Vidrio con aluminio 2. Papel con seda 3. Plata con algodón 4. Lana con caucho 5. Nailon con cobre