1. Propiedades eléctricas de la materia - Tema 6. Electricidad y magnetismo. Cuaderno para el alumnado.

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FÍSICA Y QUÍMICA 3º ESO. TEMA 6. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

1. Propiedades eléctricas de la materia

1.1 Electrización de la materia

Los fenómenos de electrización de la materia se conocen desde muy antiguo. La primera referencia escrita sobre ellos se debe al filósofo griego TALES DE MILETO (625-547 a. C.), quien comprobó que al frotar un trozo de ámbar (elecktron, en griego) con una tela, este adquiría la propiedad de atraer pequeñas plumas y trocitos de paja.

La electrización de la materia es el fenómeno por el cual un cuerpo adquiere propiedades eléctricas.

Estas propiedades se identifican gracias a las interacciones (fuerzas), de características muy definidas, que un cuerpo experimenta cuando se electriza.

¿A qué se puede deber la cualidad que adquieren el ámbar y el plástico al frotarlos? Fue necesario esperar hasta bien entrado el siglo XVI para empezar a encontrar respuestas. Las primeras las ofrecen WILIAM GILBERT, CHARLES DU FAY O BENJAMIN

FRANKLIN, entre otros, quienes dirigieron sus investigaciones hacia el entendimiento de la propiedad de la materia llamada electricidad.

1.2 Formas de electrización.

Las primeras explicaciones a los fenómenos de electrización se basaron en:

1. Suponer la existencia de efluvios materiales que emanaban de los cuerpos y causaban las interacciones o

2. Suponer la existencia de fluidos materiales que pasaban de unos cuerpos a otros. Estas dos hipótesis se demostró que eran erróneas con el descubrimiento del electrón. Veamos algunas de las formas más frecuentes de electrizar la materia.

• Electrización por frotamiento: Consiste en frotar un cuerpo con otro, quedando ambos electrizados. Uno de los cuerpos adquiere, electricidad positiva, y el otro la adquiere negativa.

• Electrización por contacto: Consiste en electrizar un cuerpo poniéndolo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, los dos cuerpos adquieren el mismo tipo de electricidad: la que tuviese el previamente electrizado. Si una vez

electrizados acercamos un cuerpo al otro, se repelen.

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1.3 Naturaleza eléctrica de la materia .

Como ya has estudiado, en la actualidad sabemos que la materia está formada por átomos, que pueden agruparse unos con otros de múltiples formas para dar lugar a la gran variedad de materiales que te rodean.

Cada uno de estos átomos, a su vez, contiene un núcleo formado por protones y neutrones y, a mucha distancia (a escala atómica), los electrones se mueven alrededor del núcleo en una región denominada corteza electrónica. De estas partículas, los protones son los portadores de electricidad positiva, y los electrones los de la negativa.

Este modelo de átomo, según el cual cuando tocamos la superficie de un cuerpo con lo que interaccionamos es con la corteza electrónica de los átomos, nos permite explicar los fenómenos de electrización sin necesidad de acudir a efluvios o fluidos materiales. Se explican mediante la transferencia de electrones de un cuerpo a otro.

• Electrización por frotamiento:Al frotar un cuerpo (1) con otro (2), el cuerpo (1) cede electrones al otro (2) y adquiere electricidad positiva. El cuerpo (2), al ganar

electrones, adquiere electricidad negativa.

• Electrización por contacto: Cuando un cuerpo electrizado toca una bola metálica no electrizada, se produce una transferencia de electrones de la bola a la varilla,

quedando ambas con el mismo tipo de electricidad positiva. El hecho de que, una vez electrizados, ambos cuerpos se repelan al acercarlos, nos permite afirmar que,

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• Electrización por inducción: El cuerpo electrizado,llamado inductor, atrae a los electrones del inducido, lo que origina que en él se creen dos zonas con electricidad opuesta (la zona más próxima al inductor adquiere electricidad opuesta a la de este; negativa en este caso). Al final, ambos cuerpos quedan enfrentados con

electricidades de signo contrario, y se atraen. Podemos decir que, cargas de signo contrario se atraen.

2. Carga eléctrica. Ley de conservación

El átomo es eléctricamente neutro, pues tiene el mismo número de protones que de electrones. Por tanto, la materia también lo es. Pero cuando un cuerpo cede electrones a otro, en el primero hay un exceso de protones, y en el segundo de electrones. En estas condiciones, ambos presentan propiedades eléctricas que se miden, como siempre, utilizando una magnitud física: la carga eléctrica, «q».

2.1 Carga eléctrica.

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas.

En la naturaleza se pueden encontrar cargas eléctricas de dos tipos que se denominan carga positiva y carga negativa. Se observa, además, que dos cargas del mismo signo se repelen, y si tienen signos contrarios, se atraen.

La unidad de carga eléctrica en el SI es el culombio, C.

2.2 Carga eléctrica elemental.

Lo que se transfiere entre cuerpos en los fenómenos de electrización son electrones. Por ello, se utiliza el valor absoluto de la carga del electrón, qe, como carga eléctrica elemental.

Así, el electrón tiene carga eléctrica -qe, siendo +qe la del protón. A comienzos del siglo xx,

R. A. MILLIKAN determinó su valor: qe = -1,602·10-9 C. Esto indica, a su vez, que 1 C =

6,24·1018 cargas eléctricas elementales.

2.3 Carga neta.

El hecho de utilizar la carga del electrón como carga eléctrica elemental es lo que hace que, en ocasiones, se hable de que un ion tiene carga -1, o +3, por ejemplo.

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Si la carga neta es muy grande, se expresa en unidades SI. Así, al decir que un cuerpo adquiere una carga de un culombio, lo que realmente estamos diciendo es que en su

interior hay 6,24·108 protones más que electrones; es decir, ha cedido 6,24·1018 electrones.

2.4 Ley de conservación de la carga.

En los fenómenos de electrización la carga neta se conserva: la misma carga positiva que adquiere un cuerpo la adquiere el otro, pero negativa. Esto constituye la ley de

conservación de la carga eléctrica:

En un sistema aislado, la carga eléctrica neta permanece constante.

3 Interacción entre cargas eléctricas. Ley de Coulomb.

Se ha visto que dos cuerpos con carga del mismo signo se repelen, y si es de signo contrario, se atraen. Ahora

estudiaremos cómo se determinan las características de las fuerzas entre cargas eléctricas.

3.1 Fuerzas entre cargas eléctricas.

Coulomb estudió la fuerza que experimentan dos cuerpos con carga eléctrica neta. Para ello, empleó un instrumento

diseñado por él mismo: la balanza de torsión. Después de numerosas medidas, llegó a las siguientes conclusiones:

1. Las fuerzas de atracción o repulsión entre dos cuerpos con carga neta son directamente proporcionales al valor de las cargas (cuanto mayor sea el valor de estas, más intensa es la fuerza).

2. La interacción es inversamente proporcional al

cuadrado de la distancia entre los cuerpos (a mayor distancia, menor fuerza). Las fuerzas dependen del medio en el que se encuentran inmersos. Su valor es máximo cuando están en el vacío.

Para describir completamente la fuerza entre cargas eléctricas, también hay que conocer su:

• Dirección. Es la de la recta que pasa por los dos cuerpos.

• Sentido. Según el signo de las cargas, la fuerza aplicada a cada cuerpo apunta hacia el otro si son de atracción, o está dirigida en sentido contrario si son repulsivas.

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3.2 Ley de Coulomb.

De los resultados de sus experiencias, Coulomb dedujo la ley que describe la interacción entre cargas eléctricas:

La fuerza con la que se atraen o se repelen dos cargas eléctricas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

La expresión matemática de esta ley es:

F

=

K

q· q'

d

2

En esta expresión: F representa el valor de la fuerza con la que se atraen o se repelen las dos cargas. En el SI se expresa en newton, N.

q y q' es el valor de cada carga, expresado en culombios, C, en el SI. d es la distancia entre ambas cargas, expresada en metros, m, en el SI.

K es una constante que depende del medio en el que se encuentren las cargas (vacío, aire, agua, etc.).

4. La electrostática en nuestro entorno.

Lo que se ha descrito hasta el momento se ha basado en fenómenos eléctricos provocados por la acción humana, pero es muy frecuente encontrarlos en la naturaleza: los rayos, las auroras boreales o la descarga que notamos al bajar de un coche o al tocar a otra persona, son algunos ejemplos. La parte de la física que estudia estos fenómenos, provocados por cargas en reposo, se llama electrostática.

4.1 Naturaleza eléctrica de los rayos.

Una de las descargas electrostáticas naturales de mayor intensidad es el rayo. Su naturaleza eléctrica fue demostrada por Benjamin Franklin, quien encontró la forma de esquivar su potencial destructor ideando el pararrayos.

Los rayos se originan cuando hay zonas con diferente carga eléctrica dentro de una nube (intranube), entre dos nubes (internube) o entre una nube y la superficie de la Tierra (nube-tierra), originadas por el roce entre cristales de hielo en las nubes de tipo cumulonimbo, debido a las corrientes de aire en su interior.

En este complejo proceso, aún en estudio, los cristales más pequeños y ligeros quedan con carga positiva en la parte alta de la nube, y los más pesados, en la parte baja, con carga negativa. Esta carga negativa provoca, por inducción, la electrización de la superficie de la Tierra.

K

=9

·

10

9

N

m

2

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Fase 1. Desde la zona negativa de la nube, y en zigzag, sale una guía negativa que se mueve a unos 200 km/s y puede ramificarse. Esta guía se dirige hacia la superficie de la Tierra. Desde la tierra y desde los objetos que en ella se encuentran (principalmente los más puntiagudos), surge una guía positiva que busca la negativa.

Fase 2. Si ambas guías se unen, se produce la descarga de la nube: el rayo. Es entonces cuando se observa la brillante luz del

relámpago. El calor generado eleva la temperatura del aire circundante

provocando su expansión, y al mezclarse con el aire del entorno disminuye su temperatura y se contrae. Esta rápida expansión y contracción produce ondas sonoras: el trueno.

4.2 El pararrayos.

Con su famoso experimento de la cometa, Benjamin Franklin logró demostrar que los rayos estaban formados por electricidad. También descubrió que la electricidad escapa por los extremos puntiagudos de los objetos, lo que le permitió desarrollar el pararrayos.

Existen varios tipos de pararrayos, con distintas zonas de protección. El más simple, el tipo Franklin, consiste en una barra metálica terminada en una o varias puntas que se coloca en la parte más alta del edificio a proteger. La barra se conecta a tierra mediante un cable para facilitar la descarga del rayo, que atravesaría la estructura del edificio de no tener

pararrayos.

4.3 Otros fenómenos electrostáticos.

A veces, al tocar objetos o a otras personas, o al poner en contacto unos objetos con otros, se producen «chispazos» de mayor o menor intensidad: se trata de un fenómeno

electrostático.

Ahora podemos explicarlos. Por ejemplo, mientras un coche se mueve su carrocería sufre una continua fricción con el aire, quedando electrizada por frotamiento. Si tocas la

carrocería, se produce la descarga a través de tu cuerpo. Los fenómenos electrostáticos más frecuentes en la naturaleza se deben a la electrización por frotamiento, aunque siempre que nos encontremos ante un cuerpo electrizado, se pueden producir electrizaciones por

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5. Magnetismo e imanes. Polos magnéticos

5.1 El magnetismo.

El fenómeno del magnetismo, al igual que la electricidad, se conoce desde muy antiguo. Tenemos constancia de que en la Grecia antigua, cuna de la civilización occidental, se conocía la existencia de minerales que atraían pequeños trozos de hierro. Al proceder de una zona llamada Magnesia, los fenómenos recibieron el calificativo de magnéticos, y el mineral se llamó magnetita (o piedra imán).

El magnetismo es la propiedad que presentan ciertos materiales, que denominamos imanes, de atraer determinados metales.

La interacción magnética, al igual que la eléctrica o la gravitatoria, es una interacción a distancia, es decir, no hace falta contacto entre el imán y el objeto con el que la

experimenta. Son pocos los metales atraídos por los imanes. El hierro, el níquel, el cobalto y las aleaciones en las que se utilizan, son algunos ejemplos.

5.2 Imanes. Polos magnéticos.

La fuerza que ejerce un imán no es igual en todas sus partes. Las zonas donde la intensidad del magnetismo es máxima se denominan polos magnéticos, y entre ellos existe una zona neutra desde la que el imán no ejerce ninguna fuerza.

Algunas de las características más importantes de los imanes son:

Un imán tiene dos polos, denominados norte, N, y sur, S. Se llaman así porque los imanes se orientan con el magnetismo de la Tierra, que, como veremos, es un gigantesco imán natural.

Los polos de un imán, aunque distintos, no se pueden separar. Si dividimos un imán en dos trozos, y cada trozo en dos, y así sucesivamente, cada trozo presenta los dos polos.

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5.3 Clasificación de los imanes.

Según su origen, los imanes se clasifican en naturales y artificiales:

• Los imanes naturales son los que se obtienen a partir de materiales que, en estado natural, tienen la propiedad de atraer trozos de hierro o de otros materiales

magnéticos. Un ejemplo de imán natural es la magnetita.

• Los imanes artificiales son aquellos que se fabrican por imantación de ciertos materiales, denominados ferromagnéticos, que no poseen esa propiedad en estado natural. Los imanes que utilizamos habitualmente son artificiales, y pueden tener diversas formas, como se observa en la fotografía de la derecha.

Según su duración, los imanes se clasifican en temporales y permanentes:

• Los imanes temporales son los que pierden sus propiedades magnéticas cuando deja de actuar la causa que produce la imantación. Este tipo de imanes se utiliza en los timbres eléctricos, en algunos tipos de teléfonos y para fabricar electroimanes.

• Los imanes permanentes son los que mantienen de forma indefinida sus propiedades magnéticas, aunque cese la causa que produce la imantación. Estos imanes se

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ACTIVIDADES.

1.

a) Busca en el texto el nombre de las cuatro personas que aparecen relacionadas con la investigación de la electricidad.

b) ¿Qué es la electrización de la materia?

c) ¿Cómo se identifican las propiedades eléctricas? 2.

a) ¿En qué se basaron las primeras explicaciones a los fenómenos de electrización? b) ¿Cuál fue el descubrimiento demostró que estas dos hipótesis eran erróneas? c) Copia en tu cuaderno y rellena la siguiente tabla:

FORMAS MÁS FRECUENTES DE ELECTRIZAR LA MATERIA

Tipos de electrización En qué consiste

Electrización por frotamiento

Electrización por contacto:

Electrización por inducción

3.

a) Explica brevemente cómo están formados los átomos.

b) Escribe cuáles son las partículas portadoras de electricidad positiva y cuáles son las partículas portadoras de electricidad negativa.

c) Según este modelo de átomo ¿Con qué parte del átomo interaccionamos cuando tocamos la superficie de un cuerpo?

d) ¿Qué nos permite explicar el hecho de que interaccionemos con la corteza electrónica de los átomos?

e) ¿Cómo se explican los fenómenos de electrización?

f) Explica cómo tiene lugar la electrización por frotamiento y haz un dibujo explicativo de este fenómeno.

g) Explica cómo tiene lugar la electrización por contacto y haz un dibujo explicativo de este fenómeno.

h) Explica cómo tiene lugar la electrización por inducción y haz un dibujo explicativo de este fenómeno.

4.

a) ¿Por qué el átomo es eléctricamente neutro?

b) ¿Cuándo presenta un cuerpo propiedades eléctricas?

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5.

a) ¿Qué es la carga eléctrica y cómo se manifiesta?

b) ¿Cómo se denominan los dos tipos de cargas que se pueden encontrar en la naturaleza?

c) Indica qué ocurre entre dos cargas eléctricas del mismo signo y entre dos cargas eléctricas de signos contrarios.

d) ¿Cuál es la unidad de carga eléctrica en el SI? 6.

a) ¿Cuál es la partícula que se transfiere entre cuerpos en los fenómenos de electrización?

b) ¿Cuál es la carga que se utiliza como carga eléctrica elemental?

c) Indica en carga eléctrica elemental la carga del electrón y la del protón. d) Escribe el valor de la carga eléctrica elemental en culombios.

e) ¿Cuántas cargas eléctricas elementales son un culombio?

7.

a) ¿Qué ocurre cuando decimos que un átomo tiene carga negativa? b) ¿Qué ocurre cuando decimos que un átomo tiene carga positiva?, c) ¿Qué es la carga neta?

8.

a) ¿Qué quiere decir que en los fenómenos de electrización la carga neta se conserva?

b) Escribe el enunciado de la ley de conservación de la carga eléctrica. 9.

a) Escribe las conclusiones a las que llegó Coulomb después de estudiar la fuerza que experimentan dos cuerpos con carga eléctrica neta.

b) Rellena la siguiente tabla:

Dirección y sentido de la fuerza eléctrica Dirección

Sentido

Punto de aplicación.

c) Haz un dibujo que muestre la dirección y sentido de las fuerzas eléctricas en función del signo de ambas cargas.

10.

a) Escribe el enunciado de la ley de Coulomb.

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11.

a) Pon tres ejemplos de fenómenos eléctricos que se encuentran en la naturaleza. b) ¿Cómo se llama la parte de la física que estudia estos fenómenos?

c) ¿Cuando se originan los rayos?

d) Haz un dibujo explicativo del proceso de formación delos rayos. e) Busca en el texto qué son los siguientes fenómenos:

• Rayo.

• Relámpago. • Trueno.

12.(No entra en examen)

a) ¿Qué demostró Benjamin Franklin con su famoso experimento de la cometa? b) ¿Qué más descubrió?

c) ¿Que invento pudo desarrollar Benjamin Franklin con este descubrimiento? d) Explica brevemente en qué consiste el pararrayos tipo Franklin.

13.(No entra en examen)

a) Explica por qué a veces se producen chispazos al tocar objetos o a otras

personas, o al poner en contacto unos objetos con otros, como en el caso de un coche.

14.

a) ¿Qué es el magnetismo?

b) ¿Por qué decimos que la interacción magnética es una interacción a distancia? c) Escribe el nombre de los metales atraídos por los imanes.

15.

a) ¿Qué son los polos magnéticos?

b) Escribe las tres características principales de los imanes.

c) Haz un dibujo en el que se muestre lo que le pasa a un imán si intentas dividirlo. d) Haz un dibujo en el que se muestre lo que le pasa a dos imanes cuando los

acercas. 16.

a) ¿Qué son los imanes naturales? b) ¿Qué son los imanes artificiales? c) ¿Qué son los imanes temporales? d) ¿Qué son los imanes permanentes? e) Copia el siguiente esquema.

Tipos de imanes

Según su origen

naturales

artificiales

Según su duración

temporales

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FÍSICA Y QUÍMICA 3º ESO. TEMA 6. ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. PROBLEMAS

1. Dos cargas puntuales de 2 μC y 5 μC se encuentran separadas 75 cm. Calcula la intensidad de la fuerza con que se atraen o se repelen.

2. Dos cargas de 0,1 mC, situadas en el vacío, experimentan una fuerza atractiva de 0,1 N. Calcula su signo y la distancia a la que se encuentran.

3. Calcula la fuerza con que interaccionan en el vacío dos cargas de -2 nC y 4 nC, si la distancia entre ellas es de 1 mm. Solución: F = 0,072 N.

4. Se ha calculado experimentalmente que cada electrón transporta 1,6·10-19 C de carga negativa. El átomo neutro de hidrógeno sólo posee un electrón, que se

encuentra a una distancia de 5·10-9 m de su núcleo central, de carga positiva. Calcula

la fuerza eléctrica que mantiene unido al electrón con el núcleo.

5. Dos cuerpos que tienen una carga de 1C se repelen en el vacío con una fuerza de 1000N ¿A qué distancia se encuentran el uno del otro? Solución: 3000 m.

6. Una carga de -5 mC se encuentra en el vacío a 100 m de distancia de otra carga de +5 mC. ¿qué ocurrirá entre ellas?

7. Los protones del núcleo están separados entre sí 10-15 m. Calcula la fuerza

electrostática que ejerce un protón sobre el otro. Solución: 230,4 N

8. Calcula la carga de dos partículas igualmente cargadas, que se repelen con una fuerza de 0,1 N, cuando están separadas por una distancia de 50 cm en el vacío. Solución: 1,7.10-6 C.

9. Hallar el valor de la carga q de una partícula tal que colocada a 1 m de otra, cuya carga es de 2.10-8 C, la atrae con una fuerza de 2 N. Solución: 3,33 C

10.Calcular la distancia r que separa dos partículas cargadas con 2.10-2 C cada una,

sabiendo que la fuerza de interacción entre ambas es de 9.105 N. Respuesta:

Solución: 2 m

11.Una bola, A, tiene una carga de 40 μC y está suspendida a 6 cm de otra bola, B, que ejerce una fuerza de 500 N sobre la carga A, ¿cuál es la carga de la bola B ?.

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