BLOQUE TEMÁTICO:
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Bloque II. Materia, energía e interacciones
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TEMA:
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Interacciones
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SUBTEMAS:
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12.- Interacciones eléctricas
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LECCIÓN:
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1.-
Fenómenos electrostáticos
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APRENDIZAJES ESPERADOS:
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• Describe, explica y experimenta con algunas manifestaciones y
aplicaciones de la electricidad e identifica los cuidados que requiere su
uso.
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Carga eléctrica
Al peinarte con un cepillo observas cómo el pelo se ve atraído por él, también habrás notado que, al pasar cerca de alguien, a veces salta una chispa o te habrás preguntado por qué aparecen rayos en una tormenta. Todo esto ocurre porque los cuerpos pueden estar cargados.
La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, comparable a la de la masa, que también verifica el principio de conservación y que permite explicar ciertos comportamientos de la misma.
En esta ocasión estudiarás los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo, correspondientes a la disciplina científica conocida como electrostática.
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1. Fenómenos de electrización
Ya los antiguos Griegos constataron que al frotar cuero con diversas sustancias como el ámbar provocaban que éste pudiera atraer objetos ligeros como el cabello humano. Además comprobaron que, si continuaban frotando durante suficiente tiempo, podían incluso obtener chispas.
Por esta razón se le dio a estos efectos el nombre de electricidad, que deriva de la palabra elektron (ηλεκτρον) que es la palabra griega para designar el ámbar. Este proceso de "cargar" un objeto por frotamiento fue denominado electrización. En la imagen puedes observar como un CD electrizado es capaz de atraer pequeños fragmentos de papel.
Las primeras aproximaciones científicas al concepto de electricidad se produjeron a principios del siglo XVIII, cuando era común las experiencias con fenómenos eléctricos dirigidas a las clases más pudientes. En ellas, con la ayuda de dispositivos acumuladores de carga como las botellas de Leyden, similar a la que puedes observar en la figura, se obtenían diferencias de potencial suficientemente altas como para conseguir desmayar a una persona.
Fue Charles François Du Fay quien, mediante sus experiencias descubrió la existencia de dos clases de electricidad que denominó vítrea y resinosa respectivamente, correspondientes a los dos tipos de comportamiento de la materia cuando sufre un proceso de electrización. Asimismo distinguió entre conductores y aislantes y puso de manifiesto la repulsión entre cuerpos cargados de electricidad del mismo signo.
Más tarde Benjamín Franklin consideró la electricidad como un tipo de fluido invisible presente en toda la materia, estableciendo que el hecho de frotar superficies aislantes transfería este fluido de un objeto a otro, constituyendo este movimiento lo que él denominó corriente eléctrica.
De forma análoga supuso que cuando la materia contenía poco de este fluido se encontraba cargada negativamente, mientras que si la poseía en exceso se encontraba cargada positivamente. Así, identificó el término positivo con el tipo de carga adquirido al frotar con cuero una varilla de vidrio (electricidad vítrea) y como negativo el adquirido al frotar con cuero un trozo de ámbar.
Franklin realizó una experiencia que permitió comprobar la naturaleza eléctrica de los rayos.
En esta famosa experiencia, voló una cometa durante una tormenta. La cometa era de seda para que resistiese la humedad y en su parte más alta llevaba una punta metálica para atraer la electricidad, ya que había observado que la botella de Leyden se descargaba más rápidamente si había un conductor terminado en punta.
Franklin observó que , mientras el cordel estaba seco, nada ocurría, pero al mojarse se hacía conductor de la electricidad. Para comprobar este carácter eléctrico, Franklin puso una llave atada al cordel y, al acercar otro objeto conductor a la llave saltaban chispas, lo cual demostraba su hipótesis. Había construido el primer pararrayos de la historia.
Actualmente sabemos que el modelo propuesto por Franklin estaba demasiado simplificado, pues el estudio del átomo ha revelado la existencia de dos tipos de carga eléctrica en la materia:
- Partículas cargadas positivamente, como los protones (p+)
- Partículas cargadas negativamente, como los electrones (e-)
Por lo tanto la corriente eléctrica puede tener distinto origen: puede tratarse de un flujo de electrones, de un flujo de protones o incluso de un flujo de ambos moviéndose en direcciones opuestas. Para simplificar esta situaciones en los problemas en los que interviene la corriente eléctrica, se toma siempre esta como un flujo de partículas exclusivamente positivas, tal y como supuso Franklin en sus trabajos.
Hoy en día se sabe que existen diferentes formas de cargar un cuerpo, esto es, de electrizarlo:
» Electrización por frotamiento; se produce cuando se frotan materiales con distinta capacidad para retener electrones. Cuando este tipo de electrización ocurre, cada uno de los cuerpos que rozan queda cargado con cargas de distinto signo.
» Electrización por contacto; se produce cuando se pone en contacto un cuerpo con otro previamente electrizado. En este caso ambos cuerpos quedan cargados por cargas del mismo signo.
» Electrización por inducción; es un tipo de electrización que no precisa de contacto directo entre los materiales. Se produce cuando se acerca un cuerpo cargado eléctricamente a otro cuerpo neutro (que tiene el mismo número de cargas positivas que negativas). Entonces se produce una interacción eléctrica entre las cargas del objeto electrizado y las del cuerpo neutro, dando como resultado que la distribución de cargas se altera pues el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en la parte más próxima del cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. En el diagrama abajo presente se muestra el procedimiento para electrificar un cuerpo por inducción. Observa que, de nuevo, la carga obtenida por este método es de signo opuesto del cuerpo cargado original.
1.1 Propiedades de la carga eléctrica
En el apartado anterior has visto que, al electrizar un cuerpo, este adquiere carga eléctrica y que es una propiedad en cierto modo comparable a la masa de un cuerpo.
Sin embargo, al contrario que ocurre con la interacción gravitatoria entre masas, que siempre es atractiva, la interacción eléctrica entre cargas puede ser atractiva o repulsiva. De este hecho experimental se deduce que la carga eléctrica puede ser de dos tipos opuestos, que se denominan carga positiva y carga negativa.
Las cargas eléctricas pueden ser de dos tipos: cargas positivas y cargas negativas.
Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las cargas de signo contrario se atraen.
2. Interacción electrostática. Ley de Coulomb
La interacción electrostática entre cargas puede expresarse de forma matemática mediante la denominada Ley de Coulomb, establecida por el físico francés Charles A. Coulomb en 1977:
- F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión. En el S.I. se mide en Newtons (N).
- q1 y q2 son lo valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C).
- r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).
- K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. No se trata de una constante universal y depende del medio en el que se encuentren las cargas. En concreto para el vacío k es aproximadamente 9·109 N·m2/C2 utilizando unidades en el S.I.
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Completa el párrafo siguiente rellenando los huecos con las palabras que faltan:
"Los fenómenos han sido estudiados por el hombre desde la antigüedad. Los griegos ya descubrieron la por frotamiento entre un trozo de y un trozo de piel; pero no son éstos los únicos materiales que pueden adquirir una carga eléctrica.
Benjamín Franklin, mediante sus experimentos en electrostática, estableció que si al frotar dos cuerpos uno de ellos se electriza positivamente, el otro lo hará negativamente. De estos razonamientos dedujo que existen dos tipos de cargas eléctricas, las que denominó respectivamente y negativas.
Toda la materia está formada por . Éstos están constituidos por partículas subatómicas que poseen eléctrica; así, los contienen una carga positiva, mientras que los la poseen negativa.
Un átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro, ya que posee cantidad de cargas positivas y negativas.
El , el y la son las tres formas por las que se puede electrizar un cuerpo.
Selecciona cuál de las siguientes situaciones es un ejemplo de electrización por inducción:
Una varilla cargada electriza un objeto de cobre al tocarlo.
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Una varilla cargada se acerca sin tocar a una varilla de aluminio y ésta se carga.
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Una varilla cargada se toca con un dedo y se descarga.
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Una varilla de caucho se carga al frotarla.
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