Prueba de Historia y Ciencias Sociales

GUIA DE FISICA
4º medio Plan común
Tema: Carga eléctrica
Introducción
Los griegos en la antigüedad realizaron las primeras observaciones de fenómenos
eléctricos. Al frotar ámbar (resina de árbol petrificada) con un trozo de cuero,
este era capaz de atraer pequeños trozos de materiales más livianos.
En la actualidad se sabe que este comportamiento no es exclusivo del ámbar,
sino que en general dos sustancias distintas al ser frotadas adquieren
propiedades eléctricas. Cuando las sustancias se comportan de la forma descrita
se dice que han quedado eléctricamente cargadas.
En la vida cotidiana existen algunos experimentos sencillos que demuestran la
existencia de fuerzas eléctricas. Por ejemplo, si frotamos una peineta de plástico
por nuestro cabello, veremos que la peineta atrae pedacitos de papel. La fuerza
de atracción suele ser lo suficientemente intensa para suspender el papel en la
peineta. Se produce el mismo efecto al frotar otros materiales, como caucho y
vidrio entre otros.
Otro experimento consiste en frotar un globo inflado con lana (o con nuestro
cabello). En un día seco, el globo se adhiere al muro de una habitación, incluso
durante horas
Carga eléctrica
Los experimentos demuestran que existen dos tipos de cargas eléctricas: positiva
y negativa, denominadas así por el científico Benjamín Franklin (1706-1790).
Hoy se sabe que el origen de la carga es el átomo. Un átomo está constituido
básicamente por protones, neutrones y electrones. Los protones poseen carga
positiva y, junto a los neutrones se encuentran en el núcleo del átomo. Los
electrones poseen carga negativa y se mueven alrededor del núcleo.
El átomo por naturaleza es eléctricamente neutro, es decir, tiene igual cantidad
de electrones y protones, lo que vuelve al átomo eléctricamente neutro.
-
Si los átomos de un objeto ceden electrones tendrán un déficit de
electrones, por lo que el objeto se carga positivamente
Si los átomos de un objeto captan electrones tendrán un exceso de ellos,
por lo objeto se carga negativamente
Medición de la carga eléctrica
Ya sabemos que cuando un cuerpo está cargado posee un exceso de protones
(carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por este
motivo, el valor de la carga de un cuerpo, que se representa por la letra Q, se
puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana.
En el sistema MKS la unidad de carga eléctrica se denomina Coulomb (símbolo
C), en honor al físico francés Charles A. de Coulomb que hizo grandes aportes en
electrostática.
Cuando decimos que un cuerpo posee una carga de 1 C, ello significa que perdió
o ganó 6,25 1018 electrones, es decir:
1 C corresponde a 6,25 1018 electrones en exceso, si la carga del cuerpo es
negativa, o en déficit, si la carga del cuerpo fue positiva.
Como el coulomb puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser
demasiado grande, se utilizan subdivisiones del coulomb
1 mili coulomb= la milésima parte de 1 C por lo que:
1 mC  103 C
1 C  1.000 mC
1 microcoulomb = la millonésima parte de 1 C, por lo que:
1 C  106 C
1C  1.000.000 µC
Un coulomb equivale a 6,25 1018 electrones, en consecuencia, la carga del electrón
es de 1,6 1019 C.
La menor cantidad de carga encontrada en la naturaleza es la del electrón. Esta
cantidad de carga se denomina “carga elemental” y se representa por la letra e.
El valor de e=
C
Tabla resumen:
Partícula
Electrón
Protón
Neutrón
Carga (C)
Masa (Kg)
0
PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA
a) Existen dos tipos de carga eléctrica: positivas y negativas. Las cargas
eléctricas de mismo signo se repelen, y las cargas de signo contrario se atraen
b) La carga eléctrica se conserva: Al cargar eléctricamente un cuerpo, las
cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, tan solo se intercambian entre los
cuerpos. En otras palabras la carga total o neta se conserva
c) La carga está cuantizada: La carga que un cuerpo adquiere al electrizarse
no aparece en cualquier cantidad, sino que en múltiplos enteros de la carga
fundamental. Entonces la carga eléctrica Q de un cuerpo cargado puede ser
escrita de la siguiente forma
Q= ne
Donde n es un numero entero y “e” es la carga fundamental (carga de un
electron)
CONDUCTORES Y AISLANTES
Los cuerpos están constituidos por átomos, y estos poseen partículas con carga
eléctrica, protones y neutrones. Cuando varios átomos se reúnen para formar
ciertos sólidos, por ejemplo, los metales, los electrones de las orbitas más lejanas
no permanecen unidos a sus respectivos átomos, y adquieren libertad de
movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones
libres. Por lo tanto, en materiales que poseen electrones libres es posible que la
carga eléctrica sea transportada por medio de ellos, y así, decimos que estas
sustancias son conductores eléctricos. Entre los mejores conductores debemos
destacar a los metales. Los más destacados son: la plata, el oro y el cobre, este
último es el de mayor uso práctico por ser más económico (dúctil y maleable).
Al contrario de los conductores eléctricos existen materiales en los cuales los
electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, es decir, estas
sustancias no poseen electrones libres o el número de electrones libres es
relativamente pequeño. Por lo tanto, no será posible el desplazamiento de carga
eléctrica libre a través de estos cuerpos, los que se denominan aislantes
eléctricos o dieléctricos. Los aisladores más conocidos son: la ebonita (pasta dura
de corcho), el azufre, el vidrio, la parafina, la seda, la cerámica, la madera, el aire,
etc.
Una tercera clase de materiales son los semiconductores: aislantes y conductores
según las condiciones. El silicio y el germanio son semiconductores muy
conocidos que se utilizan extensamente en la fabricación de dispositivos
electrónicos.
Observaciones:
1) Considera un cuerpo metálico, cargado negativamente,
apoyado en un soporte aislante. Supongamos que tal
cuerpo es conectado a tierra por medio de un conductor,
por ejemplo un alambre de cobre. En estas condiciones, los
electrones que están en exceso en el cuerpo metálico,
escaparan hacia tierra a través del conductor, haciendo
que dicho cuerpo pierda su carga negativa pasando al
estado neutro.
En la figura se muestra lo que ocurre si el cuerpo
cargado estuviera cargado positivamente: los
electrones libres de la tierra pasarían a través del
conductor hasta que la carga positiva del cuerpo
metálico quedara neutralizada. Por lo tanto, vemos
que en ambos casos el cuerpo metálico cargado, al
conectarse a tierra mediante el conductor, pierde su
carga y se vuelve neutro.
2) En la misma figura anterior, si el soporte aislante
que sostiene el cuerpo metálico fuera de vidrio, este cuerpo podría descargarse
aunque no estuviese conectado a tierra mediante un cable conductor.
Generalmente, esto se debe a que sobre la superficie del vidrio se forma una capa
de vapor de agua. Dicha capa, al ser conductora, establece el contacto eléctrico
del cuerpo metálico con tierra, y por ello, se descarga.
En general, en los climas húmedos, los cuerpos metálicos electrizados, aun
cuando estén apoyados sobre aislantes, terminan por descargarse después de
cierto tiempo. Aun cuando el aire atmosférico sea aislante, la presencia de
humedad hace que se vuelva conductor, así un cuerpo cargado cederá su carga a
la tierra a través del aire.
MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN
Como se dijo un cuerpo se electriza cuando presenta falta o exceso de electrones.
Son tres las maneras por las cuales es posible electrizar un cuerpo eléctricamente
neutro:
-
Por frotamiento
Por contacto
Por inducción
Electrización por frotamiento: Cuando dos cuerpos diferentes son frotados,
puede ocurrir el paso de electrones de un cuerpo hacia otro. Considere una barra
de plástico, siendo frotada por un pedazo de lana, ambos inicialmente neutros. La
experiencia muestra que, después del frotamiento, los cuerpos pasan a
manifestar propiedades eléctricas
En el ejemplo anterior hubo transferencia de electrones de la lana hacia la barra.
En la electrización por frotamiento, los dos cuerpos quedan cargados con cargas
iguales, pero de signo contrario
La siguiente tabla ordena diferentes sustancias las cuales al ser frotadas con la
siguiente, la superior siempre adquiere carga positiva y la inferior carga de tipo
negativa
Electrización por contacto: Cuando colocamos dos cuerpos contacto, uno
electrizado y el otro neutro, puede ocurrir el paso de electrones de uno hacia el
otro, haciendo que el neutro se electrice
Las cargas en exceso del conductor electrizado negativamente se repelen y
algunos electrones pasan hacia el cuerpo neutro, haciendo que él quede también
con electrones en exceso, y por lo tanto, electrizado negativamente.
Si la esfera estuviera cargada positivamente, habría también un paso de
electrones, pero esta vez, del cuerpo neutro al electrizado, pues este con falta de
electrones los atrae del cuerpo neutro. Por lo tanto, la esfera neutra al ceder
electrones queda cargada positivamente.
En la electrizacion por contacto los cuerpos quedan electrizados con carga del
mismo signo
Electrizacion por induccion: La electrizacion de un conductor neutro puede
ocurrir por simples aproximaciones de otro cuerpo electrizado, sin que haya
contacto entre ellos.
Consideremos un conductor inicialmente neutro y una barra electrizada
negativamente. Cuando acercamos la barra electgrizada negativamente al
conductor neutro, sus cargas negativas repelen los electrones libres del cuerpo
neutro hacia posiciones distantes. De
esta forma el cuerpo queda con deficit
de electrones en un lado y con exceso
de electrones en el otro extremo
(polarizacion).
El
cuerpo
electrizadomque
provoco
la
polarizacion se denomina inductor y el
que sufre la induccion se denomina
inducido. Si queremos obtener en el
inducido una electrizacion, solo basta
unirlo a la “Tierra”, en precensia del
inductor.
En esta situacion los electrones libres
que estan siendo repelidos por el
inductor escapan hacia la tierra. Deshaciendo el contacto a tierra y luego alejando
la barra (inductor), el inducido quedará con cargas positivas.
En el proceso de induccion, el cuerpo inducido se electrizará siempre con cargas
de signo contrario a las del inductor. La carga del inductor no se altera
CUADRO RESUMEN DE MÉTODOS DE ELECTRIZACION
MÉTODO
Frotamiento
Contacto
Inducción
ANTES
Ambos
neutros
DESPUES
cuerpos Los cuerpos quedan
electrizados
con
cargas
de
signo
opuesto
Un cuerpo cargado y Ambos
cuerpos
otro neutro
quedan cargados con
cargas
de
signo
opuesto
Un cuerpo cargado y Ambos
cuerpos
otro neutro
quedan cargados con
cargas
de
signo
opuesto
DETECTORES DE CARGA ELÉCTRICA
Son aparatos destinados a verificar la presencia de carga eléctrica en los cuerpos.
Existen dos tipos básicos:
a. El péndulo eléctrico: está constituido por una pequeña esfera liviana
suspendida de un hilo que cuelga de un soporte aislado rígido. Suponga que
quisiéramos averiguar si un cuerpo A está o no electrizado. Bastará con
aproximarlo al péndulo, respecto de lo cual solo pueden suceder dos
comportamientos:
1º la esfera del péndulo permanece en reposo. Esto significa que el cuerpo A
estaba descargado (neutro)
2º La esfera del péndulo es atraída por el cuerpo A. Esto se interpreta como que
el cuerpo A esta cargado. El cuerpo seria el inductor y la esfera el inducido. De allí
la atracción.
Obsérvese que la atracción de la esfera del péndulo ocurre independientemente
del signo de la carga eléctrica del cuerpo A. Por esta razón es imposible
determinar el signo.
Ejemplo: Una varilla de vidrio cargada positivamente atrae a un objeto
suspendido. ¿Podemos concluir que el objeto está cargado negativamente?
Consideremos en primer lugar, que el objeto suspendido tiene dimensiones
pequeñas. En este caso, si el objeto estuviera cargado negativamente, sería
atraído realmente por la varilla positiva (figura a). Pero, aunque el objeto
suspendido fuera neutro, podrá experimentar inducción (o polarización si fuera
dieléctrico) y entonces ser atraído (figura b).
Supongamos ahora, que el objeto estuviese
cargado también positivamente, como la varilla.
¿Sería posible que existiera una atracción entre él
y la varilla? Si el objeto fuera conductor y tuviera
dimensiones no muy pequeñas, cuando se
aproximara la varilla, podría existir una fuerte
inducción, de tal modo que, el extremo próximo a
la varilla se volvería negativo y entonces, sería
atraído (figura).
b. Electroscopio de hojas: Este aparato consta esencialmente de una varilla
conductora que tiene en su extremo superior una esfera metálica, y en su
extremo inferior, dos tiras metálicas muy finas, sujetas de modo que se puedan
acercar o separar fácilmente. Este conjunto suele estar dentro de un frasco de
vidrio o dentro de un cilindro metálico.
En cualquiera de los casos la función del electroscopio es “ver” la carga de los
cuerpos. Para distinguir un cuerpo neutro de uno cargado basta con aproximarlo
a un electroscopio. Si sus laminas se separan significa que el cuerpo A está
cargado; por otra parte, si sus laminas permanecen juntas significa que el cuerpo
A esta neutro.
Al acercar a la esfera o bola del electroscopio
un cuerpo cargado positivamente, se producirá
una inducción electrostática en la parte
metálica del aparato, es decir los electrones
libres serán atraídos a la esfera, haciendo
aparecer en las láminas un exceso de cargas
positivas. Estas hojas al hallarse electrizadas
con cargas del mismo signo, se separan o
abren debido a la fuerza de repulsión que se
produce entre ellas. Por lo tanto, la apertura
de las láminas del electroscopio cuando
acercamos a la bola un cuerpo, nos indicará que está cargado. Al alejar el cuerpo,
los electrones de la esfera serán atraídos hacia las hojas, neutralizando la carga
positiva y haciendo que las hojas se cierren
Si el cuerpo estuviera electrizado negativamente, observaríamos, de la misma
manera una inducción electrostática en el electroscopio, y por consiguiente las
hojas también se abrirán indicando así que el cuerpo está cargado.
.