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| ¿Frizz o electrostática? |
ELECTRICIDAD
La electricidad es un componente esencial de nuestra vida cotidiana.
La empleamos , por ejemplo, para iluminar nuestras casas y para hacer que funcionen diversos artefactos: un ventilador, un televisor, una computadora, una heladera. También la empleamos en aquellos artefactos que necesitan pilas o baterías para funcionar, como una radio o un teléfono funcionar. Pero la electricidad no se encuentra únicamente en los artefactos creados por el ser humano: también está presente en la naturaleza, por ejemplo, en los rayos que observamos en una tormenta.
"La electricidad es una propiedad física manifestada a través de la atracción o del rechazo que ejercen entre sí las distintas partes de la materia"
Para el estudio de la electricidad la Física, como ciencia, realiza una división para su estudio, Por un lado la electrostática: estudia los fenómenos eléctricos de las cargas en estado de reposo, mientras que la electrodinámica: estudiará las cargas eléctricas en movimiento.
Actividad disparadora:
- Leemos el siguiente texto y en grupos realizamos una puesta en común.
El agua serpenteante
Era sábado a la tarde. Eze y Mati terminaban de jugar a la pelota y van a la casa de Belén. ¿El programa? untarse con ella y Sofi para estudiar Historia. Luego de un rato de resúmenes, cuadros y líneas de tiempo, se toman un descanso, y Mati les anuncia un número de magia.
Se acerca a la pileta del patio y abre la canilla, para dejar correr el agua. Toma una regla de plástico y la frota fuertemente sobre su pulóver
Acerca la regla al agua, y esta se curva. Pone la regla del otro lado, y el agua vuelve a curvarse como si fuese una serpiente que se mueve.
Mati se para derechito cruzando los brazos sobre su pecho, como los magos al realizar un truco. Sus amigos no salen de su asombro...
¿Magia o ciencia?
Al igual que Eze, Belu, y Sofi, los humanos también se hicieron esta pregunta muchas veces, con relación a fenómenos como este. Las respuestas fueron diversas a lo largo de la historia.
La primeras culturas observaron temerosas los relámpagos que aparecían en el cielo durante una tormenta. Durante mucho tiempo se pensó que era un mensaje de los dioses, enojados con las personas.
En el siglo XII a. C, un matemático y filósofo griego llamado Thales, de la ciudad de Mileto, observó que cuando frotaba un trozo de ámbar ( resina sólida ) con piel de animales y lo acercaba a objetos muy livianos, como pelos, plumas, o pequeños fragmentos de madera, estos eran atraídos hacia la piedra. Thales decía que aquella época que el ámbar tenía algo dentro, un "alma" que atraía a los cuerpos. Al igual que el imán, lo hacía con los trozos de hierro.
Finalmente, en el siglo XVIII, con el avance de la ciencia y la tecnología, que permitió empezar a entender la naturaleza de la materia , se pudieron empezar a explicar todos estos fenómenos.
Luego del truco, Belén abrió su netbook, buscó en internet y halló la respuesta. Bueno, al fin y al cabo, Mati fue mago por un ratito.
El átomo y la electricidad
Recordemos que la materia está constituida por partículas muy pequeñas llamadas átomos. Estos, a su vez, están compuestos por un núcleo rodeados de electrones, al mismo tiempo en el núcleo contiene otras partículas: protones y neutrones.
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Esquema del átomo de carbono, según el
modelo de átomo que propuso el científico
NielsBohr
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Las partículas que componen el átomo poseen una propiedad que denominamos carga eléctrica. Los protones tienen carga positiva, los electrones, negativa, y los neutrones carga nula ( es decir, carecen de carga )
Los átomos tienen exactamente el mismo número de protones que de electrones, por lo tanto podemos decir que poseen la misma cantidad de cargas positivas y negativas, y como consecuencia de esto, la carga eléctrica total de un átomo es igual a cero, es decir que los átomos son eléctricamente neutros.
Para poder comprender los diversos fenómenos eléctricos, debemos tener presentes la siguiente regla.
"LAS CARGAS DE IGUAL SIGNO SE REPELEN, MIENTRAS QUE LAS CARGAS DE DISTINTOS SIGNOS SE ATRAEN"
Electrización de cuerpos
Para que ocurra la electrización, es necesaria la presencia de dos o mas cuerpos que interactúen entre sí. Esta interacción puede realizarse de tres formas: por fricción, contacto e inducción.
- La electrización por fricción: Es el resultado de frotar un cuerpo contra otro, por ejemplo, una varilla contra un paño de seda o una regla de plástico contra un paño de lana.
- La electrización por contacto: en cambio, se produce cuando un cuerpo cargado se ponen en contacto con un cuerpo neutro, es decir un cuerpo no electrizado ( ver péndulo eléctrico). Lo que sucede es que las cargas se redistribuyen de modo tal que ambos cuerpos adquieren la misma carga eléctrica.
- La electrización por inducción: se produce cuando un cuerpo cargado eléctricamente se aproxima, sin tocarlo, a otro neutro. Ocurre entonces que el objeto cargado eléctricamente, induce a una redistribución de las cargas en las zonas más próximas del cuerpo neutro. Así, este último queda con cargas de signo contrario y por ello, ambos cuerpos se atraen . Así ocurre al acercar una varilla a unos papelitos, o una regla previamente frotada a un chorro de agua corriente
ACTIVIDAD:
- Observamos el siguiente vídeo de Proyecto G "Electrostática", Sexta Temporada. Capitulo N° 4, emitido por el canal encuentro y realizado por Diego Golembek
IMPORTANTE!!!
"En todos los casos de electrización, las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen. Pueden pasar de un cuerpo a otro, cambiar de ubicación, alejarse o acercarse, pero nunca crearse ni destruirse. Esta es la Ley de conservación de la carga
ACTIVIDAD:
- Responde en tu carpeta:
a) Indique si las siguiente afirmaciones son correctas:
- Los aniones se generan por ganancia de electrones, y los cationes, por ganancias de protones
- Las partículas responsables de la electrización de los cuerpos son los electrones, debido a sus cargas positivas.
- Si se frota un globo sobre la cabeza y se lo acerca a pequeños pedasitos de papel, se produce solamente una electrización por fricción.
b) Indique qué tipo de electrización tiene lugar en el siguiente proceso:
- Se frota una regla de plástico con un paño de tela, la regla se aproxima al cabello de una persona, y este se eriza hacia la regla. Justifique sus respuesta.
c) Para comprender aún mejor lo aprendido, es necesario que tu mismo puedas ver y experimentar los fenómenos de electrización, para los cuales se sugiere el diseño de un péndulo eléctrico o electroscopio casero ( a continuación se dan los procedimientos para la fabricación de un péndulo eléctrico)
TUTORIAL: Fabricamos un electroscopio
Las tormentas eléctricas
Las nubes se cargan de electricidad al frotarse con el aire.
La parte alta de las nubes se carga de manera positiva y la parte baja con carga negativa. La parte inferior de la nube que quedó con carga negativa induce una carga positiva en la superficie terrestre, se distribuyen las cargas tal que alcanza una determinada magnitud, produciéndose fuertes descargas eléctricas, entre una misma nube, con cargas de signos opuestos, entre nubes distintas, o entre una nube y la tierra.
A estas descargas eléctricas se las denomina rayos (cuando se dan entre las nubes y la tierra) y relámpagos (cuando se dan entre dos nubes), aunque también reciben esa denominación las luces que emiten los rayos.
Antes de reconocer como funcionan los pararrayos y cual es su función en los edificios y casas, revisemos nuevamente, algunos temas del apartado de Calor y Temperatura, que tienen relevancia en la comprensión de dichos temas.
Decíamos que los materiales en los que sus electrones se mueven con gran facilidad se denominan Conductores eléctricos, mientras que aquellos electrones que se mantienen fuertemente ligados a sus átomos y no pueden desplazarse hacia otros átomos, se los denominaba aislantes o aisladores.
Pero, dependiendo de la forma de un material, en el caso de los materiales conductores, las cargas se distribuyen de la siguiente manera:
Las cargas se distribuyen de manera uniforme sobre la superficie de una esfera conductora, en cambio en un conductor en puntas, tiende a concentrase en estas. Este fenómeno se lo denomina:Efecto de puntas.
El pararrayos y el barrilete de Benjamín Franklin
Entendiendo los fenómenos de electrización y el efecto de puntas, podemos explicar el funcionamiento del pararrayos. En primer lugar conociendo a quién debemos su descubrimiento.
Cansado de este trabajo, se colocó a los 12 años en la imprenta de un familiar, desarrollándose así su amor a la cultura. El escaso tiempo libre lo empleaba en devorar todo tipo de libros que caían en sus manos.
La naturaleza del rayo: Franklin se interesó por la ciencia en esa época. Durante el resto de su vida, aunque comprometido con la escritura, la edición, la política y la diplomacia, se mantuvo al tanto de los últimos descubrimientos gracias al contacto con otros científicos y a sus propios experimentos. En 1743 fundó la primera sociedad científica norteamericana, la American Philosophic Society. También encontró tiempo para desarrollar unas cuantas invenciones notables, incluidos los pararrayos, las lentes bifocales y la estufa de Franklin.
Franklin estaba particularmente interesado en la electricidad y en el magnetismo, que en aquellos momentos se comprendían muy poco. En 1745, un físico holandés llamado Píeter van Musschenbroek, que vivió en la ciudad de Leiden (o Leyden), inventó un dispositivo de almacenamiento eléctrico que se conoció como «la botella de Leiden»; y sería la experiencia de Franklin con este ingenio la que inspiró su experimento más famoso. Las botellas de Leiden, al ser tocadas, producían una chispa y una descarga eléctrica. Sospechando que el rayo era una forma de electricidad similar a la chispa de la botella de Leiden, Franklin decidió intentar capturar la electricidad de un rayo en una de sus botellas.
Un día de 1752, conectó un alambre a una cometa de la cual pendía un hilo de seda atado a una llave. Hizo volar su cometa hacia un nubarrón y, cuando colocó su mano cerca de la llave, una chispa saltó entre ambas. Después consiguió cargar la botella con la energía del rayo, a través de la llave, al igual que podía haberla cargado con una máquina generadora de chispas. Fue una emocionante demostración de que el rayo y la humilde chispa de la botella eran el mismo fenómeno. Cuando informó sobre su experimento creó sensación, y corno recompensa fue admitido como miembro en la Royal Society de Londres. Pero tuvo mucha suerte: las dos personas siguientes en intentar el mismo experimento terminaron electrocutadas.
Murió en 1790, abrumado de honores científicos y títulos de diversas universidades de Europa y Norteamérica. Veinte mil personas asistieron a su funeral en Filadelfia. Había hecho buen uso de sus dos años de escuela.
El pararrayos tiene una doble función: por un lado trata de impedir que se produzca la descarga eléctrica (rayo) entre la nube y la tierra: por otro lado, y si este se produce lo conduce a tierra evitando que se dañen las casas y edificios y quienes lo habitan.
Si colocamos un pararrayos en lo alto de un edificio y lo conectamos 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 pararrayo queda cargado positivamente al igual que la tierra, su punta atrae electrones del aire e impide que se acumulen cargas positivas, que podrían originar una descarga entre las nubes y el edificio. Pero si pese a esto, el rayo cae, este será transmitido a tierra por el pararrayos sin dañar el edificio.
Corriente eléctrica
Existe una corriente eléctrica cuando hay electrones que circulan, a través de un material conductor.
Tipos de corriente eléctrica:
- Corriente continua: Es característica de las pilas y baterías. En ella la circulación de los electrones se efectúa en una única dirección y con la misma intensidad en todo instante.
- Corriente alterna: Se produce por generadores. En este caso el movimiento de los electrones no es siempre en el mismo sentido, los electrones deben disminuir su velocidad hasta detenerse y luego cambiar el sentido de circulación.
Thomas Alva Edison (1847 - 1931) creó la primera central eléctrica con corriente continua, en Nueva York. Pero este tipo de corriente era muy costosa y además se perdía mucho calor (Energía) al trasladarla a grandes distancias.
Luego un empresario estadounidense fundó una compañía eléctrica, basada en corriente alterna Nikola Tesla ( 1856 - 1943 ). Descubrió que la pérdida de energía disminuía al aumentar el potencial eléctrico.
Potencial eléctrico
Cuando se conectan dos cuerpos, que tiene diferentes cantidades de electrones, a través de un material conductor, los electrones fluyen desde el cuerpo que tiene más cantidad de electrones hacia el que tiene menor cantidad.
Esta diferencia entre la cantidad de electrones se denomina: Diferencia de potencial o Voltaje de la corriente eléctrica y se expresa en voltios ( V ), y para que la corriente circule por un conductor si o sí debe existir una diferencia de potencial entre los cuerpos que se pongan en contacto.
Fuentes de Corriente
A los materiales o equipos que generan una diferencia de potencial eléctrico se los denomina: Fuentes. Las fuentes más comunes son las pilas, baterías y generadores. Las pilas y las baterías transforman energía química en energía eléctrica.
Los generadores, en cambio transforman energía mecánica en eléctrica.
Las Pilas
La primera pila fue diseñada por ele científico italiano Alessandro Volta ( 1745 - 1825 ) en 1081, luego, el medico Luiggi Galvani ( 1737 - 1798 ) había descubierto que si tocaba las patas de una rana con un gancho de cobre, esta se convulsionaba. En ese momento Galvani propuso la hipótesis que la rana generaba electricidad.
Volta pensó que lo que ocurría era alguna reacción química entre las patas de la rana, los ganchos de cobre, y el hierro sobre el cuál estaba colocada. Para comprobar esta idea, realizó un experimento.
Una pila funciona a partir de una reacción química llamada óxido - reducción entre el cobre y el cinc. En el cual el cinc se oxida y así sede electrones al cobre, que se reduce.
Si estos dos materiales se separan con un material conductor ( como una solución de agua y sal o ácido muriático ), los electrones pasan a través de ella para circular de un metal a otro.
Una pila tiene dos extremos, llamados: Bornes con distinta polaridad.
En el caso de la pila de Volta, el cinc es el borne negativo y el cobre el borne positivo. Si se conectan los dos bornes a una pila con un cable, la corriente fluye. Este proceso continuará hasta que la pila se agote.
Tipos de pilas
Actualmente existen diversos tipos de pilas; y su funcionamiento es similar a la pila de Volta, pero su estructura es muy diferente al de aquellas pilas.
Clasificación: Se pueden clasificar según la sustancia que contenga en su interior o su forma: cilíndrica o de botones.
- Pila seca: Constituida por una celda que posee un cilindro hueco de cinc que contiene una pasta que, a su vez, rodea a una barra de carbón y permite el intercambio de electrones entre el cinc y el carbón.
- Pilas alcalinas: La pasta que contiene es de material alcalino; es decir, no es ácido como el de las pilas comunes. Debido a esto los electrones circulan con facilidad.
- Pilas de níquel y cadmio (recargables): Son en realidad pequeñas baterías debido a su recarga. Son las más modernas y se las utiliza en dispositivos pequeños. El problema es que son muy contaminantes, ya que el cadmio es un elemento químico altamente tóxico y perjudicial para el medio ambiente.
- Otras fuentes de energía son las baterías.
Circuitos electricos
Un circuito eléctrico es aquel que está constituido por un conjunto de dispositivos que ubicados de manera adecuada, conforman un circuito eléctrico por donde circulan los electrones.
En un circuito eléctrico simple se distinguen cuatro elementos como mínimo, que son: una fuente, un conductor, una resistencia y un interruptor o llave.
En un circuito eléctrico simple se distinguen cuatro elementos como mínimo, que son: una fuente, un conductor, una resistencia y un interruptor o llave.
Componentes de un circuito eléctrico
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