Complejo educativo “san francisco” guia de ciencias naturales profesor: José Miguel Molina Morales Segundo Año General “C”

COMPLEJO EDUCATIVO “SAN FRANCISCO” GUIA DE CIENCIAS NATURALES Profesor: José Miguel Molina Morales Segundo Año General “C”

Principios de Electricidad (Parte No. 1)
Objetivos de la unidad: Investigar y describir con interés los fenómenos electromagnéticos, diseñando circuitos, o aparatos y calculando experimentalmente sus propiedades y leyes que les sirvan para valorar el progreso de estas tecnologías en el bienestar de la vida del ser humano

Indicadores de Logros:
3.1 Indaga, analiza y explica con iniciativa e interés el origen y definición de la electrostática.
3.2 Analiza, interpreta y explica con interés el origen y la ley de las cargas eléctricas.
3.3 Resuelve con seguridad y persistencia problemas de cálculo sobre fuerzas y campos eléctricos, aplicando la ley de Coulomb.
3.4 Indaga y describe con interés el trabajo realizado por una fuerza al mover una carga de prueba dentro de un campo eléctrico.
3.5 Resuelve problemas para calcular con seguridad la energía a partir de la diferencia de potencial eléctrico.
3.6 Representa y describe correctamente la corriente eléctrica e identifica con interés el Amperio como unidad de medida.
3.7 Experimenta, explica y diferencia con seguridad la diferencia entre resistiv dad y resistencia de algunos materiales del entorno.
3.8 Experimenta y clasifica con interés algunos materiales del entorno en conductores, semiconductores y aislantes de electricidad.
3.9 Explica con interés la diferencia entre conductividad y conductancia de algunos materiales del entorno
3.10 Analiza y aplica con seguridad la Ley de Ohm en la solución de problemas de circuitos eléctricos.
3.11 Analiza y construye creativamente circuitos eléctricos en serie o en paralelo, siguiendo esquemas e instrucciones verbales o escritas.

3.12 Explica con interés la diferencia entre conductividad y conductancia de algunos materiales del entorno.
3.13 Analiza y construye creativamente circuitos eléctricos en serie o en paralelo, siguiendo esquemas e instrucciones verbales o escritas.

NATURALEZA ELECTRICA DE LA MATERIA
La naturaleza eléctrica de la materia es conocida desde hace mucho tiempo, los antiguos griegos, hacia el año 600 a. C., ya sabían que al frotar ámbar con una piel, éste adquiría la propiedad de atraer a cuerpos ligeros.

Estos fenómenos descubiertos por el filósofo griego Thales de Mileto sobre el ámbar, que en griego se llama elektron, son el inicio de la electricidad.

No fue hasta el siglo XVI, cuando el médico inglés Willian Gilbert, observó que otros materiales se comportaban como el ámbar, esto le llevó a realizar una clasificación entre los materiales. Los materiales que se comportaban como el ámbar al ser frotados los llamo eléctricos y a los demás no eléctricos. Incluso ideó un instrumento para saber si los cuerpos eran o no eléctricos, el versorio.

Posteriormente, el francés Charles du Fay, en el siglo XVIII, descubrió que dependiendo de los materiales que se frotasen existían dos tipos de comportamientos. Por un lado los que se comportaban como el ámbar y por otro los que se comportaban como el vidrio cuando se frotaba con seda. De tal manera que dos trozos de ámbar electrizados se repelían, dos trozos de vidrio electrizados también se repelían pero un trozo de ámbar electrizado y otro de vidrio electrizado se atraían. Por lo que dedujo que debían de existir dos tipos de electricidad.
En este mismo siglo, Benjamín Franklin investigó sobre los fenómenos eléctricos y consideró que la electricidad era una especie de fluido que podía pasar de unos cuerpos a otros por frotamiento. Cuando el fluido pasaba a un cuerpo, éste adquiría electricidad positiva y el cuerpo que perdía este fluido adquiría electricidad negativa. La investigación de todos estos fenómenos llevó a un estudio de la materia que posteriormente pudiera explicar su comportamiento eléctrico.

Franklin, lo mismo que algunos de sus antecesores llegaron a la conclusión de que las fuerzas entre los cuerpos electrizados obedecen siempre a la siguiente ley: “Los cuerpos cargados con electricidad del mismo signo se repelen y los cargados con electricidad de signo contrario, se atraen”. Esta ley es denominada Primera Ley de la Electricidad.

Carga eléctrica y Estructura de la materia.
Estructura atómica de la materia. ¿Qué es la materia? Según el diccionario, es "aquello que constituye la sustancia del universo físico". La Tierra, los mares, la brisa, el Sol, las estrellas, todo lo que el hombre contempla, toca o siente, es materia. También lo es el hombre mismo. La palabra materia deriva del latín mater, madre. La materia puede ser tan dura como el acero, tan adaptable como el agua, tan informe como el oxígeno del aire.

A diferentes temperaturas puede presentar diferentes fases, pero cualquiera que sea su forma, está constituida por las mismas entidades básicas, los átomos. Las radiaciones ionizantes y sus efectos también son procesos atómicos o nucleares.

La materia se compone por átomos.

Los mismos tienen un núcleo de protones (que tienen carga positiva) y neutrones (carga neutra). En la periferia del átomo, se encuentran los electrones (carga negativa) describiendo órbitas alrededor del núcleo.

Los electrones de las órbitas más alejadas pueden abandonar el átomo (electrones de valencia) y agregarse a otro cercano. El átomo que tiene un electrón menos queda cargado positivamente, mientras el átomo que ganó un electrón tiene carga negativa.

Por ejemplo cuando se frotan dos materiales distintos como plástico y vidrio ocurre eso con muchos de sus átomos, liberan y aceptan electrones, por lo tanto uno de los materiales queda cargado positivamente (sus átomos liberaron electrones) y el otro negativamente (con más electrones)

Un átomo puede ganar o perder electrones, a este proceso se le llama ionización.

Si pierde electrones queda cargado positivamente, por déficit de electrones y se llama

Ion Positivo.

Si gana electrones queda cargado negativamente por exceso de electrones y se le llama Ion Negativo.

La ionización de un átomo no cambia sus propiedades químicas, pero si sus propiedades físicas, porque altera su carga eléctrica.

La carga eléctrica se mide en Coulomb, en honor a Charles Coulomb. Un Coulomb es una unidad de carga grande por lo que es común usar submúltiplos como el micro Coulomb (1 μC = 1 x 10^-6C).

La ley de conservación de la carga eléctrica dice que dado un sistema aislado no hay cargas que se creen ni se destruyan, sino que la carga se conserva.

La carga eléctrica de un material siempre es múltiplo de la carga eléctrica de un electrón. El signo de la carga eléctrica indica si se trata de carga negativa o positiva (cuantización de la carga).

La unidad con la cual se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), corresponde a la siguiente carga: 1 Coulomb = 6.25 x 10¹⁸electrones

De donde podemos decir que la carga del electrón es igual a 1.62 X 10^-19C
Para cargas macroscópicas más pequeñas se usan los submúltiplos:

1 milicoulomb 1mC = 0,001 C = 1 x 10^–3C

1 microcoulomb = 1μC = 0,000001 C = 1 x 10 ^{– 6}C

La concepción moderna de la constitución de la materia dice que está constituida de átomos y éstos a su vez, están constituidos de otras partículas entre las que se encuentran electrones, protones y neutrones.

Respecto a la naturaleza eléctrica de estas partículas tenemos que:

Los protones tienen una carga positiva, el neutrón tiene aproximadamente la misma masa del protón, pero no tiene carga eléctrica y el electrón tiene carga eléctrica negativa.

La carga eléctrica positiva de cada protón es igual a la carga eléctrica negativa de cada electrón. El átomo en su estado natural, es eléctricamente neutro, tiene igual número de cargas positivas y de cargas negativas.

En un átomo existen electrones exteriores, los cuales originan la mayor parte de los fenómenos eléctricos, puesto que, en materiales específicos, pueden constituir una corriente eléctrica ya que están tan alejados del núcleo del átomo que la acción de éste no es suficiente para mantenerlos en posiciones fijas.
PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA
Un cuerpo eléctricamente neutro, es aquel que posee todos sus átomos con igual número de protones y de electrones. En un cuerpo sólido, los electrones son los que tienen mayor movimiento, es lógico suponer que al frotar un cuerpo con otro, suceda que uno de ellos transfiera electrones al otro. Así el número de electrones que pierde un cuerpo, es igual al número de electrones ganados por el otro. Un cuerpo que pierde electrones deja a sus átomos con un número de protones en “exceso”, igual al número de electrones perdidos y por lo tanto, su carga neta o total, será positiva y numéricamente igual a la suma de los protones excedentes. Por el contrario cuando un cuerpo gana electrones la carga neta es negativa, numéricamente igual a la suma de los electrones excedente.

De lo expuesto y de acuerdo a los hechos experimentales se deduce que “Las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, solamente se transfieren”, o sea que el proceso de adquirir una carga eléctrica consiste en ceder algo (electrones) de un cuerpo a otro, de modo que uno de ellos tenga un exceso y el otro un déficit de ese algo (electrones).
CUANTIZACION DE LA CARGA ELECTRICA
Aunque ya se ha dicho en qué unidades se mide la carga eléctrica que adquiere un cuerpo, es fácilmente compresible que para que un cuerpo se electrice, debe de ganar o perder electrones, entonces la carga neta o total de un cuerpo tiene que ser un múltiplo entero de la carga del electrón.
En otras palabras la carga eléctrica está cuantizada y no puede variar en forma continua, sino que en forma discreta. El aumento o disminución de la carga de un cuerpo se mide por cuantos electrones ha ganado o perdido. La carga del electrón se designa por “e-”.

Supóngase que un cuerpo inicialmente neutro transfiere a otro “n” electrones, entonces, la carga eléctrica “q” del cuerpo que pierde los electrones es positiva (el número de protones excederá a los electrones) a igual a “n x e+” (n cargas elementales positivas), mientras que el cuerpo que gana los electrones adquiere una carga “q” negativa (los electrones exceden a los protones) e igual a “n x e-” (n cargas elementales negativas).

La carga únicamente puede variar si varia “n” (electrones perdidos o ganados por el cuerpo) y está variación solo podría darse en números enteros.

La carga “e” representa el “quantum” de la carga eléctrica y se le denomina “carga elemental”.

La carga de un cuerpo cargado siempre es un múltiplo entero de una carga elemental que corresponde a la carga del electrón. Es decir:



Donde

q = carga eléctrica

n = número entero

e-= electrón
TABLA I. Cargas y masas de partículas elementales.

En el sistema MKS, la unidad de carga eléctrica es el Coulomb y en el CGS, es el StatCoulomb.

Entre algunas equivalencias tenemos: 1 Coulomb (C) = 6.25 x 10¹⁸ cargas elementales

1 Coulomb (C) = 3 x 10 ⁹StatCoulombs (StatC).
CONDUCTORES Y AISLANTES
Los cuerpos electrizados interaccionan ejerciéndose fuerzas de atracción (si las cargas son de signo diferente) o de repulsión (si las cargas son del mismo signo). Ahora bien, si se interpone un cuerpo eléctricamente neutro entre otros dos cargados eléctricamente si aquel es capaz de transmitir la interacción entre ellos se denomina “conductor eléctrico” pero si la interacción no es transmitida se le denomina “aislante eléctrico”, “no conductor” o “dieléctrico”.

La diferencia entre cuerpos conductores y aislantes es gradual y está comprendida desde muy buenos conductores como los metales, entre los que podemos mencionar: el oro, la plata y el cobre; algunos minerales y el grafito; hasta muy buenos aislantes como: el ámbar, el plástico, el vidrio, el teflón, el corcho, el hule, el papel, el azufre, la porcelana y la madera. Las substancias que ocupan una posición intermedia en esta escala se denominan “semiconductores” y entre ellos se tiene la madera húmeda, el aire húmedo, los tejidos orgánicos, el germanio y el silicio, entre otros (aleaciones de ArGe, InGa, etc.)
Un buen conductor posee cantidades apreciables de electrones libres, los cuales están moviéndose por el enrejillado cristalino y por eso conduce la carga con una resistencia relativamente pequeña. En los aislantes hay pocos electrones libres o no tiene electrones libres puesto que sus electrones están fuertemente atraídos por el núcleo y con mucha dificultad pueden desprenderse del átomo, presentando una elevada resistencia a la conducción eléctrica.
En los conductores la carga se distribuye en toda la superficie, mientras que en los aislantes se mantiene en el lugar en que fue depositada. Al contrario de lo que sucede en los metales, en los cuales los electrones libres conducen la electricidad, en los líquidos la conducción de carga se debe a átomos positivamente cargados (iones positivos) y a átomos negativamente cargados (iones negativos).
Cuando se disuelve sal de mesa (NaCl) en agua, los dos elementos se disocian formando un ion Na⁺ cargado positivamente y un ion Cl^- cargado negativamente. El átomo de Cl ha ganado un electrón y el de sodio ha perdido uno quedando cargado positivamente. Esta solución llamada electrolito, es buena conductora. La conducción electrolítica es esencialmente por el movimiento de estos iones en direcciones opuestas.

Algunos electrolitos típicos son el cloruro de potasio (K⁺, Cl^-), el ácido sulfúrico

(H²⁺, SO ^2-) y el agua misma (H+, OH-). El que un electrolito conduzca bien o mal la electricidad depende de la valencia química (número de electrones perdidos o ganados), el grado de disociación y la concentración iónica (número de iones por centímetro cúbico). como un ejemplo, una solución de KCl, es típicamente 109 veces más conductora que el vidrio, pero 108 veces menos conductora que la plata. No todas las soluciones conducen bien la electricidad depende de la disociación iónica. El aceite, el alcohol y el azúcar disueltos en agua son relativamente malos conductores.

La piel humana seca al igual que la mayoría de las membranas biológicas es mala conductora. Sin embargo, los tejidos del cuerpo localizados bajo la piel son electrolitos, la solución salina fisiológica es básicamente una solución diluida de NaCl y el plasma sanguíneo contiene Na⁺, K⁺, Ca⁺, Mg²⁺, Cl^- y otros iones.

METODOS DE CARGA ELECTROSTATICA.

Carga por Frotamiento
La frotación es una forma de cargar eléctricamente un cuerpo. Algunos materiales atraen electrones más que otros; es decir, son más electro afines que otros. Por tanto, al ser frotados dos materiales, el material más electro afín adquirirá una carga negativa porque atrae electrones hacia sí. Por el contrario, el material menos electro afín adquirirá una carga positiva porque pierde electrones.
Podemos entonces ver, que no es difícil que un cuerpo pueda ceder o ganar electrones debido a la frotación electrizándose positivamente o negativamente lo cual depende del cuerpo con el cual se frotó. Por ejemplo, la seda frotada con el vidrio adquiere carga negativa (porque retira electrones del vidrio) cuando se frota con ebonita (caucho vulcanizado) adquiere carga positiva o sea que perderá electrones.

En general, es posible comunicar carga eléctrica a casi cualquier cuerpo frotándolo con otra substancia. Así, un automóvil adquiere carga por el roce con el aire, un peine, por el roce con el cabello, las nubes se electrizan por el roce con las corrientes de aire por otras nubes.
En realidad todo lo que se necesita es un íntimo contacto entre las diferentes substancias y esto se logra con el frotamiento.

Carga por Contacto.

Obsérvese las figuras anteriores.
En la figura (a). Se tiene un cuerpo neutro suspendido con un aislante.

En la figura (b). Se tiene una barra cargada negativamente y el cuerpo neutro, por la influencia de la barra cargada, ha reordenado sus cargas.

En la figura (c). Se toca la esfera con la barra cargada y la carga negativa de ésta (electrones) pasan a la esfera, aprovechando la influencia que éstos han provocado sobre los átomos de la esfera inicialmente neutra y cuyos electrones se han visto obligados a emigrar a otras zonas de la misma esfera.

En la figura (d). Se observa que al retirar la barra, la esfera queda cargada negativamente.

De esto podemos concluir que por contacto un cuerpo adquiere una carga del mismo signo del que se utilizó para cargarlo.
Carga por Inducción.

Obsérvese las figuras mostradas anteriormente.

En la figura (a). Se tiene un cuerpo neutro suspendido de un aislante.

En la figura (b). Se tiene una barra cargada negativamente, la cual produce una redistribución de carga en el cuerpo neutro debido a la influencia del cuerpo cargado.

En la figura (c). Sin alejar la barra, se coloca un conductor entre la esfera y la tierra. (Los electrones se mueven con facilidad en los conductores metálicos). La tierra puede considerarse como un mar inmenso de cargas positivas y negativas, cuya neutralidad no se verá afectada por la llegada o el avance de unos cuantos electrones.
Como la barra cargada negativamente repelió los electrones hasta el otro extremo de la esfera y en éste se coloca el alambre conductor, los electrones repelidos abandonan la esfera viajando a través del alambre conductor hasta la tierra.

En la figura (d). El alambre conductor se retira de la esfera y se mantiene la barra cerca (en la misma posición).

En la figura (e) se retira la barra y se observa que la esfera queda cargada positivamente.

De aquí podemos concluir que por inducción un cuerpo adquiere una carga de signo contrario del utilizado para cargarlo.
Ejercicios:

1. 
   Una persona al caminar sobre una alfombra (en un día seco) adquiere una carga negativa por fricción de 64 µC, al tocar a la puerta de salida siente una descarga. Podría decir ¿Cuántos electrones pasaron de la alfombra a la persona y de la persona a la puerta?
   

2. 
   Al frotar una barra de plástico con un paño de lana, ésta adquiere una carga de –0.8 µC. ¿cuántos electrones se transfieren del paño de lana a la barra de plástico?
   

3. 
   ¿Cuántos coulombs de carga positiva existen en 1.0 kg de carbono? Doce gramos de carbono contienen el número de Avogadro de átomos y cada átomo posee seis protones y seis electrones.
   

4. 
   Una barra de ebonita es frotada con una piel de gato, adquiriendo la barra una carga de -8.01 X 10^-12 C.
   

1. 
   ¿Suministró protones la barra de ebonita a la piel de gato?
   
2. 
   ¿Cuántos electrones se transfirieron?
   
3. 
   ¿Se podría suministrar a la barra de ebonita una carga de -2.403 X 10^-19 C? ¿Por qué?
   

5. 
   Una esfera de plástico es frotada con un paño de lana cediéndole a la esfera 7.5X10¹⁰ electrones.
   

1. 
   ¿Cuál es la carga en coulombs que adquiere la esfera?
   
2. 
   ¿con qué carga queda el paño de lana? ¿Qué signo tiene?
   

6. 
   Una moneda de cobre tiene una masa de 3.1g. Si el cobre posee una carga positiva y una negativa de magnitud 4.6X10^-18 C por átomo ¿Cuánto sería la magnitud de la carga positiva y la carga total en la moneda?(NA=6.0 X 10²³ atomos/mol; MCu=64g/mol)
   

7. 
   ¿Cuantos coulombs de carga positiva existen en 1.0 kg de sodio?
   

LEY DE COULOMB
El físico francés Charles Coulomb (1736-1806) estudió con gran detalle la interacción que existe entre cargas eléctricas y cualificó por primera vez la atracción y repulsión eléctrica y dedujo la ley que las gobierna, utilizando un aparato llamado balanza de torsión.

Las interacciones entre cargas eléctricas se les conocen como fuerzas eléctricas.

Coulomb concluyó de sus experimentos que la fuerza eléctrica depende de la cantidad de carga que tengan los cuerpos y también de su separación.

La ley de Coulomb se enuncia así:

“La fuerza entre dos cuerpos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.
Sean q₁ y q₂ dos cargas puntuales y r la separación entre ellas.

Lo anterior puede expresarse así:


Como ecuación matemática



Donde k = constante de proporcionalidad y tiene un valor de