Download Semana 12 Fenómenos electrostáticos

Caída libre
(parte 2)
Semana
12
Fenómenos electrostáticos
Semana 11
¡Empecemos!
Es muy probable que hayas
observado al peinarte cómo tu
cabello se eriza o posiblemente después de arrastrar tus pies
sobre una alfombra y tocar una
manilla metálica hayas sentido una pequeña chispa en tu
dedo. Estos fenómenos se han
de explicar a través de cargas
eléctricas en reposo. Por esta
razón, este estudio recibe el
nombre de electrostática. La electricidad estática suele ocasionar repulsión y
atracción entre dos cuerpos. Esta semana nos dedicaremos a analizar los fenómenos asociadas a ésta, así como las diferentes formas de cargar un cuerpo.
¿Qué sabes de...?
Da una explicación de los siguientes fenómenos:
• Un peine se electriza cuando se frota con el cabello y luego puede atraer
a éste (puedes probar con el cabello seco, péinalo y acércalo a unos papelitos). Explica por qué sucede esto.
• Frota un pitillo con un trozo de tela de seda y luego acércalo a un chorro
fino de agua, sin hacer contacto. Explica lo sucedido.
El reto es...
Realiza esta experiencia antes de la reunión en el CCA.
El péndulo electrostático
Materiales: Base soporte, esferas de poliestireno (bolita de anime), barra de
plástico (puede ser una regla o un pitillo), barra de madera o pinza de madera,
hilo, aguja, paño de seda y paño de lana.
Descripción: Prepara varias esferas de poliestireno y atraviésalas con una
aguja para pasarles un hilo que permita colgarlas de una barra aislante de
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madera suspendida en lo alto de un soporte. Así has construido un péndulo
electrostático (ver figura 45a)
Figura 45a
Figura 45b
1. Acerca la barra de vidrio a la esfera. ¿Qué ocurre? Frota a continuación la
barra de vidrio con un paño de seda y acércala a la esfera. ¿Qué sucede?
Toca la esfera con la mano para descargarla. ¿Por qué crees que se descarga con la mano? (Ver figura 45b).
Repite la experiencia anterior usando la barra de plástico y frotando con el
paño de lana.
2. Cuelga del soporte aislante dos esferas, a la misma altura y separadas
1cm. Frota con el paño de seda la barra de vidrio y acércala por debajo
de las dos esferas, de forma que toque a ambas simultáneamente. Retira
la barra de vidrio y observa la interacción de las dos esferas.
Descarga las esferas tocándolas con la mano. Repite la experiencia con la
barra de plástico y el paño de lana.
¿Las esferas se atraen o se repelen (se separan)? Descarga con la
mano ambas esferas.
Frota la barra de plástico con
lana al mismo tiempo que otro
compañero frota la de vidrio con
seda. Acerca ambas barras simultáneamente hasta tocar cada una
de las esferas. Retira la barra y observa lo que sucede.
Figura 45c
¿Las esferas se atraen o se repelen (se separan)? (Ver figura 45c).
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Anota tus observaciones y compártelas con tus compañeros del CCA. Debes
hacer la lectura de este material.
Semana 12
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Vamos al grano
Carga eléctrica
Para comprender lo que ocurre en el interior de los cuerpos cuando son
frotados, tenemos que recurrir al término carga eléctrica.
En la naturaleza la carga eléctrica es inherente a la materia. Sin embargo, no
toda la materia expresa fenómenos electrostáticos. La materia que nos rodea
a su vez está formada por átomos que constan de neutrones, protones y electrones. Los protones y electrones tienen una propiedad que se conoce con el
nombre de carga eléctrica.
Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos, los protones tienen carga eléctrica positiva, mientras que los electrones tienen carga eléctrica negativa.
En la figura 46 se muestra el modelo de un átomo, en él puedes observar que
los neutrones (no tienen carga eléctrica), los protones se encuentran en el
núcleo del átomo y los electrones se encuentran en las órbitas. Los electrones
son partículas mucho más ligeras que los protones. La carga de un electrón es
igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón.
Electrones
Neutrones
Protones
Núcleo
Figura 46. Estructura del átomo
Si frotas un bolígrafo con un trozo de tela de lana (puedes probar con un
pitillo previamente frotado con servilleta), verás que este es capaz de atraer
pequeños trozos de papel. En este caso, decimos que el bolígrafo se ha electrizado. El bolígrafo queda cargado negativamente y el trozo de lana tiene carga
positiva (ver figura 47).
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Figura 47
Semana 12
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El proceso de electrización consiste en la transferencia de cargas eléctricas
entre los cuerpos que se frotan. Cuando frotamos dos cuerpos entre sí hay
una transferencia de electrones de un cuerpo hacia otro.
Un cuerpo en su estado normal, no electrizado, posee el mismo número
de electrones que de protones. Si ese cuerpo pierde electrones, tendrá
un exceso de protones, es decir, quedará electrizado positivamente. Si
recibe electrones, poseerá un exceso de estos y estará electrizado negativamente.
¿Por qué se electriza un cuerpo?
Como se sabe, los protones y los neutrones se encuentran en el núcleo de
los átomos y sus posiciones no se pueden cambiar por simple frotamiento,
en cambio, como los electrones se encuentran en las órbitas exteriores del
átomo mediante la fricción adquieren energía adicional para liberarse de él
y transferirse de un cuerpo a otro. Por esta razón, en la electrización de los
cuerpos por frotamiento sólo se llega a intercambiar electrones entre los dos
cuerpos.
Formas de cargar un cuerpo
Retomemos el experimento que has realizado, al acercar la barra de plástico
o la regla a la esfera, no sucede nada porque el cuerpo está en estado neutro. Luego, al frotar la barra de plástico con un trozo de lana, la barra queda
electrizada (electrización por frotamiento); al acercarla a la esfera del péndulo observa que es atraída por la barra de plástico electrizada y después del
contacto (electrización por contacto) es repelida, esto se debe a que han
adquirido el mismo tipo de carga. Has lo mismo, pero, con la barra de vidrio.
¿Qué observas?
Se ha comprobado que el vidrio, cuando es frotado con seda, adquiere carga positiva y, por ende, la seda adquiere carga negativa; la barra de plástico
queda electrizada negativamente y el trozo de lana positivamente.
De la experiencia 2 puedes concluir lo siguiente:
a) Los cuerpos cargados con carga del mismo signo, se repelen.
b) Los cuerpos cargados con carga de distinto signo, se atraen.
+
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+
-
-
Figura 48
+
-
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Con el simple hecho de acercar un objeto electrizado a un cuerpo conductor (por ejemplo, una esfera metálica), la parte que está cerca del inductor (el
objeto cargado) atrae cargas de signo contrario a éste, distribuyendo así las
cargas en el conductor (que aún se encuentra en estado neutro). Es decir, se
produce una separación de las cargas.
Observa a través de la figura 49 cómo puede cargarse un cuerpo mediante
la inducción.
C
C
A
C
B
I
Si se acerca un inductor
I, con carga positiva, a
un conductor C en estado neutro, aparecen
las cargas inducidas A
y B.
I
T
Manteniendo el inductor I fijo, se efectúa una
conexión a tierra. (Esto
se puede hacer tocando
a C).
I
Hay, así un flujo de
electrones libres hacia
C que anula la carga
positiva inducida y
produce un exceso de
carga negativa.
Figura 49. Procedimiento para electrizar un cuerpo por inducción
Finalmente al retirar la conexión a tierra, el cuerpo queda electrizado
negativamente.
Esta forma de cargar un cuerpo se llama inducción.
La inducción también ocurre entre un cuerpo cargado y un material no conductor.
La inducción se presentó cuando acercaste la barra de plástico a la esfera de
anime (ésta estaba en estado neutro).
Para saber más…
Para que puedas dar respuesta satisfactoria a la sección “El reto es…” te
sugerimos revisar la siguiente dirección web, en la que podrás profundizar en las formas más sencillas de electrizar un cuerpo: http://www.
etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/cargaycampoelectricos/contenidos/01d56993080930f36.html.
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Semana 12
Fenómenos electrostáticos
En el DVD encontrarás un excelente video
que te permitirá ampliar los conocimientos
en cuanto al surgimiento de la electrostática, la explicación de fenómenos electrostáticos y otras cosas más ¡No dejes de
consultarlo!
Aplica tus saberes
Analiza las siguientes preguntas:
1. Si se carga un globo negativamente por frotamiento y a continuación
se pega en una pared. ¿Esto significa que la pared tiene carga positiva?,
¿por qué llega un momento en que el globo se cae?
2. Explica ¿cómo cargarías negativamente un objeto, únicamente con la
ayuda de otro objeto con carga positiva?
3. Cuando te peinas sacas electrones de tu cabello, que se quedan en tu peine.
Entonces, ¿queda tu cabello con carga negativa o positiva?, ¿y el peine?
4. Elabora en una lámina de papel bond un cuadro ilustrativo de las formas de electrizar un cuerpo (frotamiento, contacto, inducción y polarización). Puedes orientarte con preguntas como ¿en qué consiste cada
una?, ¿la carga que adquieren los objetos después de cargarse por las
formas citadas, son iguales o diferentes?, ¿qué diferencia hay entre el
proceso de electrización por inducción y el de polarización?
5. A partir del video, comenta: ¿quién fue el primero en hacer experimentos electrostáticos?, ¿qué significa la palabra ámbar?, ¿qué concluyó el
científico francés Francois Du Fay de sus experimentos?, ¿en qué consiste el pararrayo inventado por Benjamín Franklin? Explica sus ventajas.
Comprobemos y demostremos que…
1. En el CCA, formen pequeños grupos para comentar los resultados del
experimento y el video. Si en el CCA tienen disponible un computador y
un video beam, pueden disfrutar de éste nuevamente.
2. Entrégale al facilitador las respuestas a las preguntas propuestas en la
sección anterior. En el CCA elabora la ilustración de las formas de cargar
un cuerpo.
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Una educación para los pobres no puede ser una pobre educación.
José María Velaz