ASIGNATURA: FÍSICA
TEMA Nro.1 CARGA ELÉCTRICA
NIVEL: SEXTO DE SECUNDARIA
OBJETIVO: El estudiante deberá explicar el concepto de carga eléctrica, diferenciar cuerpos cargados y cuerpos eléctricamente neutros.
Explicar el concepto de carga elemental y la cuantización de la carga.
CONTENIDO:
CARGA Y MATERIA
Introducción- La Electricidad, es un fenómeno físico originado por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estática, produce fuerzas eléctricas sobre otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos.
El estudio de los fenómenos eléctricos se divide en tres grandes unidades:
a) Electrostática: Estudia la interacción entre cargas eléctricas en reposo.
b) Electrodinámica: Estudia los efectos del movimiento de cargas eléctricas en los conductores.
c) Electromagnetismo: Estudia los efectos magnéticos producidos por las cargas eléctricas en movimiento.
La importancia de la electricidad radica en que es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella la iluminación, comunicación, teléfono, radio, electrodomésticos no existiría; además sin la electricidad el campo del transporte no sería lo que es en la actualidad.
Cargas eléctricas.- Si toma una varilla de vidrio y se frota con seda colgándola de un hilo (también de seda), se observa que al aproximar una segunda varilla de vidrio (frotada con seda) se produce una repulsión mutua.
Si se aproxima una varilla de plástico o ebonita, previamente frotada con una piel, se observa que atrae la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de plástico frotadas con piel se repelen entre sí.
Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí.
Origen de las cargas.- La teoría atómica afirma que la materia está constituida, básicamente, por: protones, electrones y neutrones.
- Los protones se encuentran fijos en el núcleo atómico, éstos no pueden abandonar al átomo.
- Los electrones que van girando alrededor del núcleo a grandes velocidades pueden abandonar debido a la energía que adquieren por una causa externa.
- Los protones poseen carga positiva, se les asignó: +1 o +e
- Los electrones poseen carga negativa, se les asignó: –1 o –e
- Los neutrones son partículas subatómicas que carecen de carga eléctrica, se les asigno: 0
- Un cuerpo neutro posee el mismo número de electrones que de protones. No posee carga eléctrica neta.
Definición: Carga eléctrica es la ganancia o pérdida de electrones.
Existen dos tipos de cargas eléctricas:
Carga eléctrica negativa: Cuando un cuerpo gana electrones.
Carga eléctrica positiva: Cuando un cuerpo pierde electrones.
Formas para electrizar un cuerpo.- Manualmente existen tres maneras de producir cargas eléctricas en los cuerpos:
a) Electrización por frotamiento.- Se producen cuerpos electrizados con cargas opuestas. Esto ocurre debido a que los materiales frotados tienen diferente capacidad para retener y entregar electrones y cada vez que se tocan, algunos electrones saltan de una superficie a otra.
- El frotamiento es un método por el cual algunos materiales pierden electrones y otros los ganan.
- El vidrio frotado con tela de seda, se carga positivamente. Pierde electrones.
- El plástico (o la ebonita) frotado con paño de lana, se carga negativamente. Gana electrones.
Por ejemplo:
- Frote fuertemente una varilla de plástico con una prenda o lana.
- Acerque la varilla a pequeños trocitos de papel extendidos sobre la mesa.
- La varilla de plástico atrae los trocitos de papel.
b) Electrización por contacto.- Consiste en cargar un cuerpo neutro poniéndolo en contacto con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedarán cargados con el mismo signo.
Habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta llegar al equilibrio electrostático (Potencial eléctrico en ambos cuerpos iguales)
c) Electrización por inducción.- Cuando se acerca un cuerpo electrizado (inductor) a un cuerpo neutro (inducido). No existe contacto físico entre ambos cuerpos. Como ejemplo observe las siguientes figuras:
1) Se acerca una varilla cargada negativamente a un conductor neutro totalmente aislado; aparecen dos sectores con cargas inducidas.
2) Manteniendo el inductor cerca, conectar a tierra el conductor inducido (simplemente tocar con el dedo)
3) Existe un flujo de electrones del cuerpo inducido hacia tierra, quedando solamente las cargas positivas.
4) Eliminar el contacto a tierra y alejar la varilla inductora, las cargas positivas se distribuyen uniformemente.
No es que los protones (+) se muevan, sino que los electrones que abandonaron el cuerpo conductor dejaron vacíos y estos espacios manifiestan exceso de carga positiva.
La carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor.
Conservación de la carga.- En la electrización de un cuerpo, las cargas eléctricas no se crean ni se destruyen, tan sólo sufren un intercambio de éstas, en otras palabras la carga total se ha conservado.
Suma de cargas = 0 Suma de cargas = 0
FUERZAS ENTRE LAS CARGAS
Cargas de igual signo se repelen
Cargas de diferente signo se atraen
Los neutrones no generan carga eléctrica frente a los electrones y protones
Péndulo eléctrico.- Es un instrumento utilizado para estudiar fenómenos de atracción y repulsión entre cargas eléctricas, está formado por una esferilla de plastoform suspendida de un hilo aislante de seda como se muestra en la figura.
La esferilla se la recubre con grafito para hacerla conductora.
Clasificación de los materiales.- De acuerdo a la facilidad o dificultad al movimiento de la carga eléctrica en ellos, se clasifica de tres maneras:
a) Conductores.- Material que posee electrones libres o que ofrece poca resistencia al flujo de electrones. Ejemplo: los metales. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
b) Aislantes o dieléctricos.- Material en los que los electrones están fuertemente ligados a los átomos o que ofrece gran resistencia al flujo de electrones. Ejemplo: los no metales.
c) Semiconductores.- Un tercer tipo de material es un sólido en el que un número relativamente pequeño de electrones puede liberarse de sus átomos de forma que dejan un "hueco" en el lugar del electrón. El hueco, que representa la ausencia de un electrón negativo, se comporta como si fuera una unidad de carga positiva.
Electroscopio.- El electroscopio es un aparato que se usa para averiguar si un cuerpo está o no eléctricamente cargado.
Se compone de una botella de vidrio, un tapón de goma por cuyo centro pasa una varilla metálica que tiene, en uno de sus extremos, una pelotilla metálica (bulbo) y, en el otro, dos laminillas metálicas livianas, que al cargarse, por contacto o por inducción, se repelen (se separan).
Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la inducción, vuelven a su posición normal.
Ejem. 1.1.- Responder y analizar la respuesta:
1. Se ha frotado un lápiz de plástico con lana y una barra de vidrio con seda. ¿Son del mismo signo las cargas adquiridas por?
a) ¿La barra de vidrio y el lápiz de plástico?
b) ¿El lápiz de plástico y la seda?
c) ¿El vidrio y la lana?
d) ¿La lana y la seda?
Resp: b y c
2. Un cuerpo es neutro cuando:
a) No tiene electricidad
b) No ha perdido ni ganado electrones
c) Tiene el mismo número de electrones que de protones
d) No tiene electrones
Resp: c
Ejem. 1.2.- Responder y analizar la respuesta:
1. Tenemos dos esferas conductoras en contacto, tocamos la esfera A con una barra cargada negativamente, ¿Con qué carga queda la esfera B?
Rpta.- Carga negativa
2. En el mismo caso de la figura, ¿qué sucede con las esferas?
a) No se mueven
b) Se separan
3. Tenemos dos esferas conductoras separadas, A sin carga y B con carga positiva, tocamos la esfera A con una barra con carga negativa, ¿qué sucede con las esferas?
a) Se atraen
b) Se separan
c) No se mueve
Cuantización de la carga.- La cantidad de carga eléctrica ganada o perdida por un cuerpo es un múltiplo del electrón.
q = Cantidad de carga eléctrica
n = Número de electrones en exceso o en defecto
e = Unidad de carga fundamental (1.6x10–19 C)
Bibliografìa:
Walter Pérez Terrell Teoría y problemas de FÍSICA y cómo resolverlo Grupo Editorial Megabyte
Raymond A Serway Física. Tomo II. Editorial Normos S.A.
Jerry D. Wilson Física Lander University. Segunda edición. PHH. Prentice
Hall Paul Hewitt. Física Conceptual
Michel Valero Física Fundamental 2. Editorial Norma
Halliday – Resnick Física. Parte II. Compañía Editorial Continental S. A. Mx.
Felix Aucalllanchi V. Física. Editorial “San Marcos”. Lima - Perú
Jorge Mendoza Física. Teoría y Problemas. Ediciones Félix Maguiño. Lima – Perú
WEBGRAFÍA:
http://diverfisica.blogspot.com/p/electrostatica.html http://electricidadfisicamatematica.wikispaces.com/09.+Fuerza+electrost%C3%A1tica http://katheacero.wordpress.com/entretenimiento-4%C2%BA-periodo/ http://riesgoslaborales.wke.es/articulos/electricidad-est%C3%A1tica-un-simple-susto-o-peligro-real
http://cosasdelafacu.blogspot.com/2012/11/propiedades-de-la-carga-electrica.html
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