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ELECTRIZACIÓN |
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El fenómeno de la electrización está con frecuencia presente en
nuestra vida diaria. Fijémonos en una serie de hechos:
- Hay días secos en los que los pelos nos cuesta más peinarlos.
- Cuando nos sacamos un jersey por la noche en la habitación notamos un
pequeño chasquido, incluso en la oscuridad vemos un destello.
- A veces dos separadores de plástico nos cuesta separarlos, están como
pegados.
- Al tocar la puerta del coche notamos una pequeña descarga.
- En las tormentas escuchamos con temor los truenos que vienen después de la caída
de un rayo.
Estas son manifestaciones de fenómenos de electrización. Este fenómeno ya
era conocido por los filósofos griegos. Estos frotaban un trozo de ámbar
(resina fósil) con una piel y atraían pequeños objetos. En griego ámbar
es elektron, de ahí viene el nombre de electrización para este fenómeno
que consiste en adquirir carga eléctrica cuando un cuerpo es frotado.
Electricidad, electrón, electrización tienen todas la misma raíz griega que
proviene de la palabra ámbar. Podemos reproducir este experimento frotando una
barra de plástico para atraer pequeños trozos de papel.
¿Qué es la carga eléctrica? Como ya vimos al estudiar los átomos
estos tienen tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo. En
este caso el átomo es neutro. Pero puede no serlo, recuerda también los iones
que se formaban en el enlace iónico. Si se formaba un ion positivo era porque
perdía electrones negativos de su corteza, quedaba con más protones que
neutrones. Pero no se puede perder un electrón si otro átomo no lo gana, en
este caso se forma un ion negativo, que tendrá más electrones en la corteza
que protones en el núcleo. Por tanto en la electrización hacemos pasar
electrones de unos cuerpos a otros. Unos cuerpos pierden electrones y otros los
ganan, pero la carga total se debe de conservar, pues no aparecen ni desaparecen
cargas. Esto se conoce como principio de conservación de la carga eléctrica.
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| Cuando frotamos un globo observamos el efecto de la
electrización. Los globos adquieren cargas eléctricas iguales y se
alejan mutuamente, se repelen. |
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CARGAS ELÉCTRICAS |
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Tenemos dos tipos de cargas las positivas y las negativas. Este nombre se lo
debemos a Benjamin Franklin (1706-1790) científico norteamericano que
inventó el pararrayos.
Las cargas positivas están materializadas por los protones del núcleo de
los átomos, y las negativas por los electrones de la corteza. En la materia no
las apreciamos cuando están en igual número unas que otras, se dice que la
materia es neutra. Pero si pasan electrones de unos cuerpos a otros observamos
fenómenos asociados a estas cargas, un cuerpo que perdió electrones queda
cargado positivamente y el cuerpo que gana electrones queda cargado
negativamente.
Las cargas las vamos a medir en una unidad que se llama culombio (C).
Recibe este nombre en honor a Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806)
físico francés al que debemos la ley de atracción de cargas.
La carga del electrón tiene un valor de q(e−)
= −1,6·10−19C
Si dividimos la carga de un culombio por la carga del electrón encontramos
que un culombio es la carga que corresponde a 6,25·1018 electrones.
Como la carga del culombio es muy grande se usan frecuentemente submúltiplos
del mismo.
1μC = 10−6C
1nC = 10−9C
1pC = 10−12C
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PÉNDULO ELÉCTRICO |
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Para estudiar el fenómeno de la electrización podemos utilizar un
péndulo eléctrico. Es muy fácil de construir, basta un trozo de
poliestireno expandido (conocido como porexpán o corcho blanco)
recubierto de papel aluminio y colgarlo de un hilo. Cuando frotamos un
material de plástico y lo acercamos al péndulo eléctrico observamos un
fenómeno de electrización, el plástico atrae al péndulo eléctrico.
Observa el siguiente vídeo:
En el vídeo observamos lo siguiente:
- Cuando acercamos la barra de plástico al péndulo no ocurre nada.
- Después de frotar la barra de plástico con una piel y acercarla al
péndulo éste es atraído hacia ella.
- Cuando se tocan la bolita de péndulo y la barra se separan
inmediatamente.
- Después de haberse separado el péndulo y la barra se repelen, se rehuyen.
- Cuando tocamos el péndulo y la barra con la mano ya no muestran el
fenómeno de la electrización.
¿Qué está ocurriendo en cada uno de estos apartados?
Esta experiencia muestra los tres tipos de electrización que podemos
observar en la materia.
1. Electrización por frotamiento.
Cuando frotamos un cuerpo con otro cuerpo pueden pasar cargas eléctricas
(electrones) de un cuerpo al otro. Uno queda cargado positivamente (el que
pierde electrones) y otro queda cargado negativamente (el que gana
electrones). En este caso la barra de plástico arranca electrones de la
piel y se carga negativamente y la piel pierde electrones y se carga
positivamente.
2. Electrización por inducción.
Cuando acercamos un cuerpo con carga eléctrica a otro cuerpo en éste
se produce una separación de cargas. Las cargas del mismo signo se alejan
y las cargas de distinto signo se acercan al cuerpo electrizado. Estas
últimas, que están más cerca del cuerpo electrizado, hacen que los dos
cuerpos se atraigan.
3. Electrización por contacto.
En el caso anterior si se tocan los cuerpos las cargas de distinto
signo que están próximas se anulan, y el resultado es que ambos cuerpos
quedan cargados con la misma carga por transferencia de cargas de un
cuerpo al otro.
¿Qué ocurre cuando electrizamos dos péndulos a la vez? La carga que
adquieren es del mismo signo y se repelerán. Lo vemos en el siguiente
vídeo:
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ELECTROSCOPIO |
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Un electroscopio es un aparato que contiene dos láminas metálicas que se
pueden separar. Si el electroscopio adquiere carga las dos láminas
metálicas se cargan con el mismo signo y las láminas se separan. Cuanta
más carga adquiera más se separan las láminas del electroscopio. Si
tocamos el electroscopio con la mano descargamos el electroscopio y las
láminas se juntan.
El electroscopio también lo podemos utilizar para averiguar si dos
cuerpos se cargan con distinto tipo de carga. Fíjate en el siguiente
vídeo. Acercamos al electroscopio dos cuerpos cargados diferentes: una
barra de metacrilato (transparente) y una barra de poliestireno (blanca).
Fíjate en el comportamiento del electroscopio cuando acercamos las
barras.
Observamos que:
- Cuando acercamos el metacrilato electrizado las láminas del
electroscopio se separan. Sabemos que el metacrilato adquiere carga
positiva. Por tanto las láminas de electroscopio se separan por estar
cargadas ambas con carga positiva.
- Cuando acercamos el poliestireno electrizado las láminas del
electroscopio se juntan. Si el poliestireno se cargara positivamente
como el metacrilato las láminas se separarían más y no lo hacen, se
juntan. El poliestireno induce una carga diferente que anula los
efectos de la carga positiva, es la carga negativa.
- Lo mismo ocurre cuando actuamos al revés, electrizamos el
electroscopio con el poliestireno y acercamos luego el metacrilato.
Tenemos por tanto dos tipos de cargas: positivas, en cuerpos que
pierden electrones, y negativas, en cuerpos que ganan
electrones.
Podemos construir un electroscopio con un tarro de mermelada, un corcho
un alambre y unos trozos de papel aluminio.
Otro aparato que nos permite almacenar carga eléctrica consiste en una
lámina metálica que se sujeta por un mango aislante, es el electróforo
de Volta. Observa el vídeo:
¿Sabrías decir por qué se carga?
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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LEY DE COULOMB |
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Ya vimos que hay cargas positivas y cargas negativas. Las cargas del mismo
signo se repelen y las cargas de signos contrarios se atraen. Pero ¿de
qué depende la fuerza de atracción o repulsión que experimentan las
cargas eléctricas?
La respuesta se la debemos al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
Imaginemos dos cargas eléctricas de valor +Q1 y +Q2
separadas una distancia d.
Experimentan una fuerza de repulsión F.
Imaginemos ahora dos cargas eléctricas de valor −Q1 y −Q2
separadas una distancia d.
También experimentan una fuerza de repulsión F.
Por último, imaginemos ahora dos cargas eléctricas de valor +Q1 y −Q2
separadas una distancia d.
Ahora la fuerza es de atracción y valor F. Pero ¿cuánto vale dicha
fuerza en todos los casos?
Esta es la expresión de la Ley de Coulomb, que dice que la
intensidad de la fuerza de repulsión o de atracción entre dos cargas es
directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
Cuanto mayores sean las cargas mayor será la fuerza de interacción, y
cuanto menor sea la distancia entre las mismas mayor será la fuerza de
interacción.
En esta expresión hay una constante de proporcionalidad K
Esta constante representa la fuerza con que se repelen dos cargas de
1coulombio separadas 1metro de distancia. Esta constante es válida para
el aire y el vacío, en cualquier otro medio la constante es diferente. Su
valor tan alto ya nos indica la gran intensidad de la fuerza eléctrica.
Esta constante tiene unidades y nos indica qué unidades debemos usar para
las cargas y para la distancia en la ley de Coulomb.
En la ley de Coulomb una fuerza positiva nos indica que las cargas
tienen el mismo signo y por tanto la fuerza es de repulsión, una fuerza
negativa indica que las cargas tienen distinto signo y la fuerza será de
atracción.
SIMULACIÓN: LEY DE
COULOMB, en phet.colorado.edu
SIMULACIÓN:
LEY DE COULOMB, en educaplus.org
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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CORRIENTE ELÉCTRICA |
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Hoy no podríamos vivir sin infinidad de electrodomésticos que
tenemos en nuestras casas. Eso es así porque nos hacen la vida más
cómoda. Basta con observar lo vulnerables que somos cuando se nos va la
luz en casa. ¡Ya nada funciona! ¡Estamos perdidos! Sin embargo hasta
hace muy poco no teníamos luz en las casas, ni agua potable, ni
electrodomésticos, ni nada de esto que nos "hace la vida más
fácil", y la gente era feliz. Está claro que nos
costaría volver a aquella época. Pero para convivir con tanto aparato eléctrico
no viene mal conocerlos un poco. En el tema anterior estudiamos las
cargas eléctricas. Estas cargas eléctricas se pueden desplazar a
través de las sustancias que llamamos conductoras. Una sustancia
conductora es una sustancia que permite el paso de cargas eléctricas a
través de ella. Entre las sustancias conductoras destacan los metales,
aunque hay más como el grafito o las disoluciones de sales. Todos los
metales tienen esta propiedad ya que sus electrones de valencia están
muy poco retenidos y se pueden desplazar fácilmente a través de la red
metálica. Pero para que haya conducción de corriente
necesitamos un generador. Un generador es un dispositivo que se encarga
de mover las cargas a través del conductor. Las cargas son electrones
que se mueven entre dos polos, un polo positivo (+) y un polo negativo
(-). En una pila los electrones salen del polo negativo y se desplazan
al polo positivo. Sin embargo por convenio se considera que el sentido
de la corriente es del polo positivo al negativo, como si los
transportadores de carga fueran cargas positivas. ¿Qué hace que los
electrones se muevan de un polo a otro? Igual que un cuerpo cae
libremente de una altura mayor (con más energía potencial) a una menor
(con menos energía potencial) las cargas se desplazan entre dos polos
que tengan diferente potencial, esta diferencia de potencial o fuerza
electromotriz de la pila es la que provoca que las cargas se desplacen a
través del circuito. Esta diferencia de potencial o fuerza
electromotriz se mide en voltios (V) en honor a Alessandro Volta. Por
tanto para que haya corriente eléctrica necesitamos un generador que
nos proporcione una diferencia de potencial. La corriente eléctrica
transporta energía que se va a consumir en los receptores eléctricos,
como bombillas, resistencias o motores. En ellos la energía eléctrica
se transforma en otros tipos de energía como la energía luminosa, térmica
o mecánica.
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TIPOS DE GENERADORES |
Los electrones necesitan energía para desplazarse por el conductor, pero
los generadores no crean esa energía, lo que hacen es transformar un tipo
de energía en energía eléctrica. Dependiendo de qué tipo de energía
se transforme tenemos diferentes tipos de generadores:
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Energía de partida |
Proceso de conversión en energía eléctrica |
| Energía magneto-mecánica |
Son los más frecuentes:
Corriente continua: Dinamo
Corriente alterna: Alternador |
| Energía química |
Celdas electroquímicas y sus derivados: pilas eléctricas, baterías, pilas de combustible. |
| Radiación electromagnética |
Fotoelectricidad: Panel fotovoltaico |
| Energía nuclear |
Generador termoeléctrico de radioisótopos |
Diferentes tipos de pilas:
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RECEPTORES ELÉCTRICOS |
La electricidad que nos proporcionan los generadores la queremos para
algo. Gracias a los receptores eléctricos la podemos transformar en otras
formas de energía.
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Tipos de receptores |
Proceso de conversión de la energía
eléctrica |
| Receptores térmicos |
Transforman la energía eléctrica
en calor: resistencias, estufas, calefactores. |
| Receptores mecánicos |
Transforman la energía eléctrica
en mecánica: motor eléctrico. |
| Receptores lumínicos |
Transforman la energía eléctrica
en luz: lámparas, fluorescentes, leds, tubos de neón. |
| Receptores químicos |
Transforman la energía eléctrica
en energía química: pila recargable, batería, cuba
electrolítica. |
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COMPONENTES DE UN
CIRCUITO |
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Para poder aprovechar la energía eléctrica y transformarla en los
receptores eléctricos debemos construir circuitos eléctricos. Un
circuito eléctrico es un sistema que utiliza la energía de un generador
para utilizarla en un receptor eléctrico.
Algunos de los elementos o componentes de un circuito y sus símbolos
son los siguientes:
| Tipo
de componente |
Nombre |
Símbolo |
| Generadores |
Generador |
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| Generador de corriente
alterna |
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| Generador de corriente
continua |
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| Pila |
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| Batería |
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| Receptores |
Resistencia |
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| Resistencia |
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| Lámpara |
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| Motor |
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| Zumbador |
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| Elementos
de maniobra |
Interruptor |
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| Conmutador |
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| Pulsador NA |
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| Pulsador NC |
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| Elementos de
protección |
Fusible |
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A parte de estos elementos en un circuito necesitamos hilos conductores
que nos unan los distintos elementos entre si.
Veamos como representaremos un circuito sencillo con una pila como
generador, una lámpara y un interruptor.
En esta animación puedes ver el circuito real:
¿En qué sentido circulan las cargas en el circuito? Sabiendo que las
cargas que circulan por un circuito son electrones deben desplazarse desde
el polo negativo de la pila al polo positivo. Pero por convenio el sentido
de la corriente es el contrario pues se asignó por convenio este sentido
cuando aun no se sabía que los portadores de carga eran cargas negativas.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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