física de farmacia _- fisica de bioquimica

FÍSICA - LAB. 6
FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
ELECTROSTÁTICA
Es bien sabido que a partir del frotamiento de objetos entre sí, se observan fenómenos muy
llamativos como la atracción de pedacitos de papel a partir de una varilla de PVC frotada con un paño.
Estos fenómenos (y muchos otros) son llamados eléctricos. La pregunta ahora sería: ¿ Qué es un
fenómeno eléctrico y qué característica tiene?
A continuación vamos a desarrollar algunas ideas que van a servir para responder estas
preguntas.
Interacción entre cuerpos cargados
¾ Se dispone de una varilla de PVC que pende de un hilo, y otra varilla de PVC en la mano. Frotamos
ambas varillas con paños del mismo material. Luego acercamos la varilla que tenemos en la mano a
la que pende de un hilo y observamos que se repelen. Decimos que las varillas se han electrizado a
partir del frotamiento y que han adquirido características que antes de ser frotadas no tenían.
¾ Repetimos el experimento, pero ahora con dos varillas de vidrio. Cuando las acercamos
observamos que también se repelen.
¾ Repetimos el experimento pero ahora una de las varillas es de PVC y la otra de vidrio. Cuando
acercamos una varilla a la otra observamos que se atraen.
En síntesis: varillas electrizadas de igual material (y de igual forma) se repelen y varillas electrizadas
una de PVC y la otra de vidrio se atraen. ¿ Cómo podemos dar una explicación de estos experimentos a
partir de una idea sencilla?
La carga eléctrica: La propiedad que tiene que ver con los fenómenos eléctricos se llama carga
eléctrica. Esta propiedad la tendrían los protones y los electrones. La carga eléctrica que tienen los
protones la llamaremos positiva (+) en contraposición a la de los electrones que llamaremos negativa
(-).
La interacción entre cargas del mismo signo es repulsiva y entre cargas de distintos signo es atractiva.
Podemos explicar los fenómenos eléctricos por frotamiento diciendo que en el frotamiento las
cargas eléctricas móviles (electrones) saltan de un material a otro. De esta manera el material que
pierde electrones queda con mas protones(+) que electrones(-) y en definitiva luce como positivo(+). El
material que gana electrones queda con mas electrones(-) que protones(+) y luce negativo(-). Entonces
cada vez que un objeto(como una varilla) queda con un número de cargas(+) distinto que el de cargas (-)
se manifiesta eléctricamente. A partir de esto estamos obligados a decir que para que la materia se
manifieste neutra (como generalmente lo es), el número de electrones en cada átomo debe ser igual al
numero de protones.
Explique con sus palabras los experimentos de esta sección.
Experiencias de inducción y transferencia
¾ Infle un globo y átele un hilo de 1m., luego frótelo con un con un paño. Si ahora acerca el globo a
la pared sin que la toque, vera que existe una atracción entre la pared y el globo. En este
experimento solo se ha electrizado un solo cuerpo (el globo), ¿cómo es entonces que existe
atracción entre ambos cuerpos (pared y globo) ?
¾ Utilizamos una esfera de material aislador(liviano) recubierta con papel metálico, una varilla de
PVC, y una varilla de vidrio. La esfera está suspendida en un pequeño mástil con un hilo. El
experimento consiste en frotar la varilla de PVC con un paño y acercarla a la esfera sin tocarla.
Podemos observar que existe una atracción entre la varilla de PVC electrizada y la esfera. Si
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
1
repetimos ahora el experimento con la varilla de vidrio otra vez observamos que existe atracción
entre la varilla y la esfera (recordemos que la varilla de PVC se electriza con diferente carga que
la de vidrio).
¾ Si ahora repetimos el experimento pero permitimos el contacto entre la varilla de PVC y la
esfera, vemos que después del contacto surge una fuerza de repulsión entre la varilla y la esfera
¿por qué?
Experiencias con el electroscopio:
El electroscopio es un aparato que puede usarse para ver si un cuerpo está cargado o no. Este
consta de dos hojuelas conductoras vinculadas por un pivote de tal manera que si un cuerpo hace
contacto con él y lo carga, cargará con el mismo tipo de electricidad a las dos hojuelas por lo tanto
estas se repelerán proporcionalmente a la cantidad de carga que tenia el cuerpo que las cargó.
¾ Frotar una varilla de PVC y acercarla al electroscopio sin tocarlo y observar lo que sucede y
explicarlo.
¾ Ídem anterior pero ahora hacer contacto entre la varilla y el electroscopio. Explicar
Experiencias con conductores y aisladores
¾ Acercar un cuerpo cargado a un extremo de una varilla metálica cuyo extremo opuesto esta en
contacto con una esfera metálica también. Observe y explique el fenómeno.
¾ Repita el experimento anterior pero ahora con una varilla de vidrio. Explique.
¾ Descarga a tierra: Cargue eléctricamente el electroscopio. Ahora tome un cable de cobre y
ponga en contacto la parte superior del electroscopio con la canilla de agua del laboratorio.
Explique.
Experiencias con la maquina de Winshurt
Hemos visto que podemos hacer uso de la fricción para electrificar cuerpos. Una optimización de
este método es la maquina de Winshurt. Esta maquina tiene dos discos girando a contramarcha y
genera electricidad (diferencia de potencial entre sus electrodos) de manera muy eficiente.
El profesor a cargo del laboratorio mostrará al alumnado como usar esta máquina electrostática
para cargar cuerpos.
¾ Haciendo uso de la maquina electrostática, observar que cuando la separación entre los
electrodos es lo suficiente pequeña, se observa un arco voltaico (chispa) que descarga a los
electrodos. Relacione esta observación con los rayos de las tormentas eléctricas.
¾ Polarización transitoria: Electrizar con la máquina dos placas metálicas paralelas ubicadas de
manera horizontal, a las que previamente se le ha colocado papel picado entre ambas. Observar
que ocurre y explicar en función del concepto de campo eléctrico.
¾ Jaula de Faraday: Coloque un electroscopio adentro y otro afuera de una jaula armada con tela
metálica. Electrificar con la máquina electrostática la jaula y observar que indican cada uno de los
electroscopios. Explique.
¾ Timbre electrostático: Coloque dos placas metálicas en posición vertical. Entre medio de ambas
colocar una esfera conductora que pende de un hilo (aislante). Electrificar las placas con la
máquina electrostática, observar y explicar el fenómeno.
¾ Viento eléctrico: Coloque un cono metálico en posición horizontal. Coloque la llama de una vela
junto
a
la
punta
del
cono.
Electrifique
el
cono.
Observar
y
explicar.
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
2
MAGNETISMO
Desarrollaremos diferentes experiencias demostrativas, donde se pondrán de manifiesto los
fenómenos magnéticos producidos por imanes o corrientes eléctricas. Veremos también el principio de
funcionamiento del espectrómetro de masa.
Imanes naturales y artificiales
A todo cuerpo que posee la propiedad de atraer trozos de hierro se lo denomina IMAN. Estos
imanes pueden ser naturales o artificiales.
Determinadas rocas (que se pueden encontrar en los Montes Urales, Grecia, etc.) presentan
propiedades magnéticas. Estas rocas, llamadas magnetitas son químicamente tetróxido de trihierro u
óxido salino férrico y constituyen los llamados imanes naturales.
Al frotar, siempre en el mismo sentido, un trozo de hierro o acero con un imán, o al dejar un trozo
de acero mucho tiempo en contacto con un imán, se obtiene un imán artificial.
El hierro se imana en forma más rápida, el acero tarda más, pero conserva por más tiempo sus
propiedades magnéticas. Además del hierro, existen otros elementos, tales como el níquel y el cobalto
que son atraídos por un imán aunque en menor medida que el hierro.
En el laboratorio se emplea a menudo la aguja magnética, que consiste en una lámina delgada en
forma de rombo en la que predomina su longitud sobre las demás dimensiones. Esta aguja se apoya en
su centro de gravedad sobre una punta afilada, de forma tal que pueda oscilar libremente.
Para familiarizarnos con los fenómenos asociados al magnetismo observaremos las siguientes
experiencias:
Polos de un imán.
¾Coloque una aguja magnética alejada de otros imanes. Deje que se equilibre. Observe.
¾Coloque el dedo en uno de los extremos de la aguja y gírela un cierto ángulo. Quite el dedo.
Concluya.
¾Marque el extremo de la aguja que apunta hacia el polo norte geográfico. Este es el polo norte del
imán. El extremo opuesto es el polo sur.
¾Acerque al polo norte de la aguja, el polo norte de otro imán. Observe. Repita la situación
acercando polos de distinto nombre, concluya.
¾Acerque a la aguja un imán cuyos polos desconoce y determine sobre él, el polo norte y el sur.
¾Espolvoree sobre un papel limaduras de hierro, apoye sobre ellas un aguja magnética. Levante la
aguja y observe en qué zonas hay mayor cantidad de limaduras
adheridas a la misma. Haga un esquema indicando los polos y la zona
neutra del imán (zona donde hay pocas limaduras pegadas).
Magnetismo inducido.
¾Coloque un alfiler en uno de los polos de un imán recto. En el extremo
libre del alfiler coloque otro (fig. 1). Deje unos minutos y quite el
alfiler adherido al imán. Concluya.
Figura 1
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
3
Espectros Magnéticos.
¾Coloque un imán recto sobre una mesa y ubique sobre él una lámina de vidrio. Espolvoree limaduras
de hierro sobre el vidrio. Observe y haga un esquema.
¾Repita la operación anterior
con un imán en forma de
herradura.
¾Coloque dos imanes como en
figura 2 y repita la operación
Figura 2
anterior.
Si a un imán se lo corta por la
mitad no se logra separar sus polos, sino que se obtienen dos imanes, cada uno de los cuales con sus
respectivos polos.
Cada molécula en última instancia es un imán y cuando éstas se alinean ordenadamente forman
un dominio magnético.
Cuando un trozo de acero no está
imanado sus dominios están desordenados
(fig.3). Al frotar con un imán como se indicó
anteriormente los dominios se alinean
otorgando características magnéticas.
Figura 3
Magnetismo terrestre
El hecho de que una aguja magnética se oriente de norte a sur indica que la Tierra ejerce
sobre ella una interacción de tipo magnética. La Tierra es un gran imán con su polo norte magnético
próximo a su polo sur geográfico y el polo sur magnético próximo al norte geográfico.
Es evidente que la Tierra no es un trozo de hierro o acero. El campo magnético terrestre se
debe fundamentalmente a la masa metálica existente en su núcleo y varía en las distintas zonas de la
Tierra.
Los polos geográficos no coinciden exactamente con los polos magnéticos. Par cada lugar de la
Tierra es posible establecer el ángulo que forma la línea que une los polos geográficos (meridiano
terrestre) y el meridiano magnético, dicho ángulo se llama ángulo de declinación y cambia su valor de
un lugar a otro de la Tierra.
El ángulo que forma un imán en un punto de la Tierra con la horizontal del lugar se denomina
ángulo de inclinación .
Magnetismo generado por corrientes eléctricas
Como se vio en teoría, al pasar una corriente eléctrica por un conductor se produce un campo
magnético como se indica en la figura 4. El sentido del campo puede determinarse por la regla de la
mano izquierda: cerrando la mano derecha y señalando con el pulgar el sentido de la corriente, los
demás dedos dan el sentido del campo magnético.
Las primeras observaciones sobre campos
magnéticos creados por corrientes fueron realizadas
por Oersted; quien descubrió que una aguja
magnética próxima a un hilo conductor por el que
circula una corriente, tiende a alinearse con su eje
longitudinal
perpendicular al conductor. En la
siguiente experiencia observaremos el fenómeno
descrito anteriormente y visualizaremos las
geometrías de los campos generados por conductores
de distintas formas.
figura 4
¾Espolvoree limadura en cada una de las
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
4
configuraciones de la figura 5 y haga un diagrama del campo originado por el conductor.
Cuando un conductor que transporta una corriente se encuentra en un campo magnético, se ejercen
fuerzas magnéticas sobre los electrones en movimiento del conductor. Estas fuerzas se trasmiten al
conductor y éste, en conjunto, experimenta una fuerza.
Fuerzas entre conductores
¾Observe el movimiento de los conductores en las dos situaciones de la figura 8, cuando circulan
las corrientes que allí se indican. Concluya.
Figura 5
Figura 6
ESPECTROSCOPIA DE MASAS
Durante la primera parte de este siglo, el estudio de la química y de la física se aceleró gracias a
la invención del espectrómetro de masas. Los diferentes elementos químicos que componen la Tierra
habían sido teóricamente ordenados según los valores de sus números atómicos en la llamada tabla
periódica. Sus pesos iban aumentando en el mismo orden, y el espectrómetro de masas permitía medir
con precisión los respectivos pesos atómicos. Esto fue muy importante para descubrir y analizar
elementos químico desconocidos, particularmente isótopos, y para la realización de investigaciones
posteriores.
Espectrómetros de masas: El principio de un espectrómetro de masas consiste en dirigir un estrecho
haz de átomos o moléculas al interior de un campo de fuerzas, de modo que los elementos más ligeros
se desvíen de forma diferenciada de los que son más pesados. En el caso de que los átomos o
moléculas estén cargados eléctricamente, se pueden emplear para lograr esa desviación campos
magnéticos y eléctricos. Si se conoce
exactamente la intensidad del campo, es
posible hallar con mucha precisión la masa
de cada partícula en base a la trayectoria
que
describe.
Los
primeros
espectrómetros de masas tenían una placa
fotográfica situada de forma que
interceptaba el haz de partículas
cargadas después de producirse la
deflexión.
La partículas de masas
diferentes inciden en la placa en
posiciones distintas según su peso,
produciéndose así una serie de líneas que
corresponden a los diferentes valores de
masas.
La oscuridad de las diversas
líneas indica la cantidad relativa de las
diferentes partículas del haz.
Figura 7
Normalmente, las partículas se cargan
arrancando un electrón del átomo o de la
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
5
molécula, dejando por tanto un ión con carga positiva. Esto se logra sometiendo la muestra que se
quiere analizar a una descarga eléctrica, tal como un arco o un haz intenso de electrones. Hay otros
procedimientos para ionizar las muestras, pero ése es el más empleado hoy día. Para que las partículas
ionizadas se puedan mover libremente se elimina el mayor número posible de moléculas de aire
introduciendo el aparato en no recinto cerrado y estanco en al cual se reduce la presión, por medio de
una bomba de vacío, hasta que es inferior a 1 mPa (cienmillonésima parte de la presión atmosférica). La
distancia media que puede recorrer una partícula en ese grado de vacío sin colisionar con otra es de
escasos 5 metros.
Muchos espectrómetros de masas modernos aprovechan el campo magnético de un potente
electroimán para desviar los haces ionizados, y luego detectan los iones eléctricamente, utilizando
para ello un multiplicador electrónico, en vez de una placa fotográfica. Ese multiplicador electrónico
puede amplificar hasta un millón de, veces la señal inicial producida por los iones. Los instrumentos
electrónicos muestran los resultados del análisis, y conectando una computadora se puede obtener un
control automático y efectuar el tratamiento de los datos.
Todavía se emplea la placa fotográfica en aquellos instrumentos en los que la muestra es ionizada
por medio de un arco. Algunos materiales, especialmente los metales y los productos cerámicos,
pueden analizarse sólo de esta forma. En los equipos modernos los átomos o moléculas son primeros
vaporizados e ionizados en la fuente de iones. El proceso de ionización remueve un electrón de la
partícula, dejándola con una carga efectiva positiva de +e. Los iones positivo son acelerado por la
diferencia de potencial que hay entre la fuente de iones y una placa con orificio (ver figura 7 ). Los
iones ingresan con una velocidad v a una región de campo magnético constante B donde sufren una
fuerza que los obliga a realizar una trayectoria semicircular de radio r. Al detector ingresarán solo
aquellas partículas cuya combinación de m, B y v determinen un radio que coincida con la ubicación del
detector (recordar que r= m v/e.B ). Si consideramos que la partícula fue acelerada por una diferencia
de potencial V podemos expresar la velocidad de la misma como:
v=
2eV
m
Eliminando algebraicamente la velocidad de estas ecuaciones obtenemos
 er 2  2
 B
m = 
 2V 
El resultado muestra que la masa de cada ión que llega al detector es proporcional a B2.
Experimentalmente cambiando el valor de B y manteniendo el término entre paréntesis constante, se
puede sintonizar el espectrómetro para detectar diferentes masas.
Una curva de la salida del detector como función de B2 nos indicará
la presencia de cada masa y su abundancia. En la figura 8 se observa
la salida típica para el caso del gas de neón en donde se aprecia la
presencia de sus tres isótopos de masas 20, 21 y 22. El pico más
grande corresponde al isótopo más abundante.
Una de las primeras aplicaciones de estos
Aplicaciones.
instrumentos fue el estudio de la causa de ciertas desviaciones con
respecto a la teoría de la tabla periódica. Se atribuyó al hidrógeno,
el elemento menos pesado, una masa relativa arbitraria de l. El mismo
número de átomos de otros elementos debería tener masas
exactamente múltiples de la del hidrógeno Pare la determinación de
los pesos atómicos por los procedimientos tradicionales sugería que
esto no era cierto: por ejemplo, se encontró que el cloro tenía un
peso atómico de 35,5 y el espectrómetro de masas indicó la causa de
Figura 8
ello. En la placa del espectrómetro, se observó la presencia de dos
líneas (o picos) en lugar de una sola, correspondientes a dos pesos atómicos enteros, 35 y 37
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
6
respectivamente. Entonces se vio que el cloro natural estaba formado por dos isótopos que tenían
exactamente las mismas propiedades químicas, pero diferentes masas. Ahora se sabe que el cloro
contiene un 75,4 % de isótopo de peso atómico 35, y un 24,6 % de un isótopo cuyo peso atómico es 37;
el valor tradicionalmente determinado de 35,5 era simplemente un valor medio ponderado. Los
isótopos de otros elementos se encontraron de forma similar por medio de espectrómetro de masas.
También es posible preparar isótopos muy puros recogiéndolos en la posición de salida del
espectrómetro.
Aunque las cantidades que de ellos se puede preparar de esta forma son
extremadamente pequeñas (inferiores a millonésima parte de un gramo), esa técnica es de valor
incalculable cuando no es posible su purificación
por otros métodos. Otra de las ventajas más importantes del espectrómetro de masas es que se
pueden analizar muestras muy pequeñas. En la actualidad se utiliza su elevada sensibilidad para
detectar y medir las moléculas residuales aún presentes en el más alta vacío, y se emplea también para
detectar e identificar moléculas complejas procedentes de otras técnicas como el cromatógrafo de
gases.
Los químicos orgánicos identifican complicadas moléculas reconociendo la forma de
descomponerse durante su ionización. La mayor masa registrada proporciona el peso molecular, y los
fragmentos más grandes indican los principales bloques estructurales de las moléculas. También se
utiliza para la investigación de compuestos de mezclas extremadamente complejas de productos
orgánicos, siendo posible analizar así muchos productos naturales. Además, el espectrómetro de
masas es un buen instrumento de trabajo para los químicos ocupados en controlar y diagnosticar los
efectos sobre las personas y el medio ambiente de insecticidas y medicamentos perjudiciales incluso
en
cantidades mínimas. Otra aplicación importante es señalar la fecha de los hallazgos en
investigaciones arqueológicas o de obras artísticas tomando pequeñas muestras y sometiéndolas a
análisis con el espectrómetro de masas. La pequeña variación en las proporciones de ciertos isótopos a
través de los siglos, o los materiales especiales empleados por los diferentes artistas, constituyen un
medio muy preciso de clasificación.
LAB. Nº 6 – FENÓMENOS ELÉCTRICOS Y MAGNÉTICOS
DPTO. DE FISICA - UNSL
7