Tema 2: Naturaleza eléctrica de la materia · Sabemos que la materia está constituida por átomos. Los átomos según se estudió tienen una parte central formada por protones y

0 Tema02 – Naturaleza eléctrica de la materia

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Tema 2: Naturaleza eléctrica de la materia (Física y Química 3º ESO)

Estructura de la materia Electrización

Fuerza entre cargas. Ley de Coulomb Intensidad de campo eléctrico Energía eléctrica

Centrales eléctricas Qué ocurre con la corriente eléctrica una vez producida El recibo de la luz

Tema02 – Naturaleza eléctrica de la materia 1


ESTRUCTURA DE LA MATERIA Sabemos que la materia está constituida por átomos. Los átomos según se estudió tienen una parte central formada por protones y neutrones, el núcleo. Alrededor de él se mueven los electrones.

Los protones tienen carga positiva y los electrones tienen carga negativa. En conjunto la mayor parte de la materia es neutra lo que significa que el número de cargas positivas y negativas es el mismo.

ELECTRIZACIÓN Electrización por frotamiento Si un cuerpo se carga se debe exclusivamente a que pierde o gana electrones quedando cargado positiva o negativamente según el caso. En esto consiste la electrización de un cuerpo.

1. 2. 3.

4. 5. 6.

7.

Como se pude ver en las distintas viñetas ocurre lo que se indica a continuación:

1. Frotando la varilla con la piel de gato, ésta se electriza 1. 2. Al acercarla a la otra bolita aislada la atrae 2. 3. Al tocar dicha bola con la barra cargada, también la bola se carga 3. 4. Repetimos la operación con la otra bola en las viñetas 4, 5 y 6.



5. Las dos bolas cargadas se repelen 7. Electrización por inducción:

1. El cuerpo cargado se acerca a otro cuerpo neutro atrae a las cargas de signo contrario de éste cuerpo.

2. A continuación conectamos el cuerpo con tierra se produce un flujo de cargas (electrones) para neutralizar las cargas positivas que hay en exceso en un lado de dicho cuerpo.

3. El cuerpo queda con un exceso de carga negativa.

Electrización por contacto: Si por el contrario un cuerpo cargado se pone en contacto con otro descargado se produce un paso de electrones de uno al otro quedando ambos con el mismo tipo de carga.

LEY DE COULOMB Sabemos que cargas del mismo signo se repelen y cargas signo contrario se atraen. La ley de Coulomb establece la magnitud de la fuerza con que se atraen o se repelen dos cargas.

Como se puede ver, esa fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas. La constante de proporcionalidad K depende del medio en que se encuentran las cargas. En el caso del vacío y también en el aire su valor es 9·109 Nm2/C2

CAMPO ELÉCTRICO Se define como tal una zona del espacio en la que cualquier carga sufre una fuerza de atracción o repulsión debido a la presencia de la carga que lo origina. Como podemos ver en la figura una carga positiva que crea un campo (Q, de color rojo) ejerce fuerzas de atracción sobre carga negativa (q3, de color morado) mientras que ejerce fuerzas de repulsión sobre las cargas positivas (q1 y q2, de color rojo).

e-



Llamamos líneas de fuerza o líneas de campo a las trayectorias (los caminos) que seguiría cualquier carga positiva situada en un punto del campo. Por tanto podemos deducir que una carga positiva actúa repeliendo a todas las cargas positivas que se sitúen en él. Decimos que actúa como un manantial de líneas de fuerza. Una carga negativa atrae cualquier carga positiva que se sitúe en el campo creado por ella. Decimos que esa carga negativa actúa como un sumidero de líneas de fuerza.

Si son dos cargas las que crean el campo y como en el ejemplo de la figura tienen signos contrarios estas líneas de fuerza comienzan en la carga positiva y mueren en la carga negativa. ¿Cómo serían las líneas de fuerza si las dos cargas fuesen positivas? ¿Y si fuesen negativas?

INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO

Sería numéricamente igual a la fuerza que experimenta en cualquier punto del campo la unidad de carga positiva colocada en él. Dado que es fuerza por unidad de carga (F/Q), la igualdad es solo numérica puesto que sus unidades son, como puede verse en la fórmula, N/C que no es unidad de fuerza ya que ésta es el Newton. Su dirección es la de la fuerza del campo eléctrico sobre una carga positiva y el sentido el mismo.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Todo sistema evoluciona de forma espontánea hacia estados en que la energía disminuye. Por ejemplo un cuerpo que está suspendido a cierta altura cae si se suelta pasando a tener una energía potencial gravitatoria menor. Los conductores son medios en los que las cargas se mueven con facilidad y los aislantes son medios en los que las cargas tienen mayor dificultad para desplazarse. Los metales son buenos conductores, también conducen bien la corriente eléctrica las disoluciones de sales en agua. Ejemplos de aislantes el papel, el aire… Para que se muevan siempre se necesita que exista entre dos puntos una diferencia de energía potencial (lo mismo que un cuerpo cae de forma espontánea desde una altura al suelo). Siempre las cargas se mueven, por la acción de un campo eléctrico, desde un punto donde tienen mayor energía a otro donde su energía es menor. A la energía potencial eléctrica que tendría en un punto la unidad de carga positiva se le llama potencial en ese punto. La existencia de un campo eléctrico que genera una diferencia de potencial entre dos puntos lo que obliga a las cargas presentes a moverse, si son positivas, hacia zonas de menor potencial, y, si son negativas, hacia zonas de potenciales mayores. El desplazamiento de cargas se llama corriente eléctrica y podría durar solamente un instante, corriente instantánea (por ejemplo un rayo, la descarga cuando quitamos el jersey electrizado, o, por el contrario, mantenerse durante un tiempo.

En este caso puede que todas las cargas se muevan en un solo sentido y se trata de una corriente continua.



Si la polaridad cambiase también lo haría el sentido del movimiento de las cargas en forma periódica, se trata de una corriente alterna. Para que haya movimiento de cargas en un conductor debemos de suministrarles la energía suficiente para que se mantengan en movimiento. Esta energía la suministra el generador de corriente eléctrica. El generador puede transformar distintos tipos de energía en energía eléctrica. Por ejemplo una pila transforma energía química en energía eléctrica como puede verse en el dibujo. Los electrones van desde el polo negativo hacia el positivo por el circuito externo y su paso por el filamento de la bombilla hace que éste se caliente hasta el punto de llegar a ponerse incandescente y emitir luz y calor. En este caso la energía química se transforma en eléctrica. En otros casos es la energía mecánica la que se transforma en energía eléctrica.

En este caso el movimiento de un imán en la proximidad de una bobina conductora genera el movimiento de cargas en ella y como consecuencia la corriente eléctrica. En la fotografía se ve el momento en que el movimiento de entrada y salida del imán en la bobina genera la corriente eléctrica que mide el amperímetro.

Ahora la fotografía muestra que la rotación de la bobina en el seno de un campo magnético genera también una corriente eléctrica. En esto se basa la dinamo de una bicicleta y también otros generadores como los que operan en una central hidroeléctrica, o una central térmica.



CENTRALES ELÉCTRICAS Son los lugares donde se genera de forma masiva la energía eléctrica que se consume en los hogares, en las fábricas… Pueden aprovechar fuentes renovables o no renovables. Las fuentes de energía renovables aprovechan la energía de recursos naturales inagotables como el viento, el Sol, la energía del agua de los ríos…

Energías renovables (ejemplos) Central hidroeléctrica

Central eólica

Central maremotriz

Central solar fotovoltaica



Las fuentes de energía no renovables utilizan recursos naturales que existen en una cantidad limitada y no pueden sustituirse una vez consumidos. Ejemplos: carbón, gas natural, petróleo, mineral de uranio…

Energías no renovables

Centrales termoeléctricas

Centrales nucleares



QUÉ OCURRE CON LA CORRIENTE ELÉCTRICA UNA VEZ PRODUCIDA La corriente eléctrica generada en la central se debe transportar hasta los lugares de consumo.

Para ello se eleva su voltaje al salir de la central mediante un transformador. La finalidad es conseguir que las pérdidas energéticas en el proceso de transporte sean las menores dentro de lo posible. Haciendo alta la tensión se hace menor la intensidad para transportar la misma potencia y de esa manera la energía disipada disminuye.

Por ello para transportar la corriente eléctrica a grandes distancias lo primero se transforma la corriente producida en la central desde 20000 V mediante un transformador hasta un voltaje que va desde 250000 a 60000 V dependiendo de la distancia a la que se pretenda transportar la corriente eléctrica. A la entrada de las ciudades es preciso, por cuestiones de seguridad, hacer que la tensión descienda. Se logra mediante un nuevo transformador que en esta ocasión disminuye la tensión hasta unos 10000 V.

Pequeños transformadores disminuyen nuevamente la tensión en las cercanías de los puntos de consumo hasta 340 o 220 V. Cuando la corriente llega a la vivienda donde va a ser consumida por donde primero pasa es por un contador que determina el consumo energético realizado a lo largo de un periodo de tiempo. Generalmente este periodo de tiempo es de dos meses.

A continuación pasa por el cuadro que, situado en el interior de la vivienda pero a la entrada, evita que se produzcan sobrecargas en la instalación desconectando la misma en ese caso o también en el caso de que la potencia demandada sea mayor que la potencia contratada con la compañía. Para evitar fraudes está precintado mediante un sello metálico que impide su apertura por cualquier persona ajena a la

compañía eléctrica. Los distintos cables canalizan la electricidad hasta los puntos de conexión a la red (enchufes) estos tienen generalmente una toma de tierra que evita descargas al usuario si se produce una avería.



EL RECIBO DE LA LUZ

Lo primero que señala es la fecha de facturación y el número de factura al que nos tendremos que referir para cualquier reclamación relacionada con ese recibo. La potencia contratada corresponde al máximo de potencia que se puede demandar en una casa. Generalmente se contratan 3,3 / 4,4 / 5,5 kw. Si en un momento la demanda es superior salta el automático (en realidad se llama interruptor magnetotérmico) del cuadro y nos deja sin corriente. La energía consumida viene en kwh se traduce en el consumo en euros. Impuestos. Alquiler de contador. Todo sumado nos da la cantidad a pagar. La entidad bancaria, el número de contador, las lecturas inicial y final, fechas de estas lecturas, suelen venir también indicadas en el recibo. Muchos recibos contienen un gráfico en el que se indica el consumo del último año para que podamos comparar con los consumos de épocas similares a la del último recibo e intentar disminuir el consumo.



Electrización e interacción entre cargas

_Jugando con globos_ Objetivo: Observar como se produce el fenómeno de electrización por frotamiento y por contacto y la interacción entre cuerpos cargados. Materiales:

Un globo Un trozo de tela Un poco de aluminio

Procedimiento:

• En primer lugar hacemos dos pequeña bolas con el papel de aluminio y las colgamos utilizando un hilo.

• A continuación frotamos el globo con un trozo de tela, el jersey o el pelo. • Acercamos el globo a una bolita de aluminio. Anota lo que ocurre. • Hacemos lo mismo con la segunda bolita. • Después volvemos a acercar el globo una segunda vez. Anota lo que

ocurre. • Ahora se acercan las bolitas ¿Qué ocurre?

Otro experimento:

• Frota un globo en tu cabeza por todos lados. El globo debe estar atado a un hilo.

• Un compañero debe hacer lo mismo con otro globo. • Acercamos los globos dejándolos colgar del hilo. • ¿qué ocurre?

Explicación de las observaciones.

1. Escribe lo que sabes acerca de: a. Electrización por frotamiento b. Atracción y repulsión entre cargas eléctricas c. Ley de Coulomb.

2. A continuación relaciona lo que has observado con la teoría que

repasaste: a. Cuando acercas el globo sin electrizar a la bolita de aluminio. b. Cuando, después de frotarlo, acercas el globo a la bolita de

aluminio. c. Cuando, por última vez, acercas el globo a la bolita de aluminio.

Globo sin electrizar Acercamos el globo electrizado por primera vez.

Acercamos el globo electrizado por segunda vez.



Electrización. Campo eléctrico 1. De una bola de un material aislante se han retirado 6·1018 electrones. Indica su carga y el

signo de la misma sabiendo que la carga de un electrón es 1,6·10-19 C.

2. Se carga por frotamiento un bolígrafo. Si la carga que adquiere es de 3,7 nC. Cuántos

electrones ha perdido. Carga del electrón es 1,6·10-19 C.

3. Dos cargas de 3 nC se encuentran en el vacío a una distancia de 3 cm. Calcula la fuerza

con que se repelen.

4. Dos cargas de 3 mC y -5 mC se atraen con una fuerza de 10-3 N cuando se encuentran en

el aire. Qué distancia hay entre ellas.

5. Dos cargas, una doble de la otra, se repelen con una fuerza de 10 N cuando se encuentran

a una distancia de 5 cm. Calcula el valor y el signo de dichas cargas.

6. Dos cargas situadas en el aire se repelen con una fuerza de 5N cuando se encuentran a

una distancia determinada. ¿Con qué fuerza lo harán si se encuentran a la misma distancia

en el agua? Busca en el libro de texto Kagua

7. Una carga de 3 µC repele a otra cuando está en el aire a 10 cm de ella con una fuerza de

100 N. Indica el valor de la segunda carga.

8. Representa gráficamente las fuerzas existentes entre dos cargas de 2 µC y – 3 µC cuando

se encuentran a una distancia de 20 cm. Calcula su valor cuando se encuentran:

a) en el aire

b) en el agua

c) en un trozo de vidrio.

9. Calcula la distancia que debe haber entre dos cargas de 3 nC para que la fuerza de

repulsión entre ellas sea de 3·10-3 N cuando están:

a) En el aire.

b) En el agua.

10. Dos cargas iguales pero de signo contrario están a una distancia de 3 mm se atraen con

una fuerza de 5 N. Calcula el valor de dichas cargas cuando el medio en que se

encuentran es aire y cuando es vidrio.

11. Busca algo de información acerca de Charles A. Coulomb y de las unidades de carga

eléctrica

Tema02_Fuerzas entre cargas, campos eléctricos, generación corriente eléctrica _ 11


Notas:

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