ENERGÍA ELÉCTRICA Y MECÁNICA

OBJETIVO: IDENTIFICAR LOS FENOMENOS ELECTRICOS Y MAGNETICOS, IMPORTANCIA Y APLICACIÒN EN LA VIDA DIARIA

Desde la antigüedad se conoce la propiedad de atracción o repulsión de los imanes, que tiene la capacidad de atraer algunos metales; a este fenómeno se le denomina magnetismo. Los imanes son instrumentos que se aplican par diversos fines; algunas puertas emplean sistemas de imanes que las hacen permanecer cerradas.

Los materiales electrificados también se atraen o se repelen, pero el fenómeno depende de la distribución de las cargas dentro del material. La energía eléctrica se puede transformar con mucha facilidad en otras formas de energía.

En este tema se desarrollan los siguientes contenidos básicos:

Nociones de electricidad y magnetismo.

- Observación de las características y propiedades de los imanes.
- Experiencias sobre fenómenos electroestáticos.
- Construcción de un circuito básico para apreciar la corriente eléctrica.


1 El magnetismo.

1 Los imanes. La propiedad que tienen los imanes de atraer objetos de hierro, acero, níquel y cobalto se denomina magnetismo. El magnetismo puede ser natural o artificial. El magnetismo natural lo posee un mineral de hierro llamado magnetita.

El magnetismo artificial lo adquieren los objetos de hierro bajo ciertas condiciones. El fenómeno de transformar artificialmente un objeto de hierro en imán se llama imantación y es pasajero.

Si frotamos repetidamente una aguja sobre un imán, la aguja adquirirá propiedades magnéticas y atraerá otros objetos de hierro. Lo mismo ocurre si la aguja se deja pegada al imán durante varias horas.

2 Los polos magnéticos. Cuando se coloca un imán bajo una hoja de papel y se espolvorea sobre ella limadura de hierro, se puede comprobar que dicha limadura se concentra en los extremos del imán (Fig. 1).






Fig. 1 La limadura de hierro se concentra en los polos del imán.

Esto se debe a que la fuerza de atracción de un imán es mucho mayor en los extremos del mismo que en el centro. Los extremos del imán reciben el nombre de polos magnéticos.

Todos los imanes tienen dos polos magnéticos polo norte y polo sur. Cuando se fragmenta un imán para separar sus polos, cada una de las piezas obtenidas es un imán con dos polos. Si uno de estos pedazos vuelve a romperse, otra vez en cada trozo aparecen los dos polos magnéticos.

3 Atracción y repulsión magnéticas. Según como se coloquen dos imanes, surgen entre ellos dos clases de fuerzas: de atracción o de repulsión. Estas fuerzas son máximas cerca de los polos y pueden sentirse aun cuando los imanes no se toquen (Fig. 2).












Fig. 2 Fuerzas entre los imanes.

Estas fuerzas se manifiestan de la siguiente manera:

Dos polos del mismo nombre se repelen. Si el polo norte de un imán se acerca al polo norte de otro imán, se crea una fuerza repulsiva. Lo mismo ocurre cuando se acercan dos polos del sur.

Dos polos de distinto nombre se atraen. Cuando el polo norte de un imán se acerca al polo sur del segundo imán, se produce una fuerza de atracción.

4 El campo magnético. Se denomina campo magnético de un imán a la zona del espacio en la cual ese imán ejerce su fuerza magnética (Fig. 3).














Fig. 3 Líneas de fuerza de un imán; estas líneas son curvas que van del polo norte al polo sur.





2 La electricidad

1 Carga eléctrica. La palabra electricidad proviene de la palabra elektron, que en griego significa ámbar. El ámbar es una resina petrificada.

Se cree que el griego Tales de Mileto (siglo VI a. de C.) realizo experimentos en los que una barra de ámbar adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros, como pelo o trozos de paja, cuando había sido frotada con un pedazo de piel o tela.

Cuando frotamos una regla de plástico y la acercamos a nuestro cabello, observamos que lo atrae. En la actualidad, dicho fenómeno se conoce como electricidad estática; la propiedad que adquieren los cuerpos al ser frotados se denomina carga eléctrica (Fig. 4).












Fig. 4 Los papeles son atraídos por la regla de plástico electrizada.

Pero, ¿toda la carga eléctrica es la misma o es posible que exista más de un tipo de carga?

Para comprobarlo se puede hacer lo siguiente: se toma una regla de plástico, se frota con un pedazo de lana y se cuelga de un soporte.

Luego, cuando una segunda regla, cargada del mismo modo, se acerca a la primera; con esto observamos que las reglas se repelen.

Similarmente, si repetimos la experiencia con varillas de vidrio, volvemos a observar la acción de una fuerza repulsiva. Sin embargo, si la varilla de vidrio cargada se aproxima a la regla de plástico cargada, encontramos que ahora se atraen mutuamente.

La carga de vidrio es diferente de la carga del plástico; son dos tipos de carga eléctrica, ya que cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen (Fig. 5).
















Fig. 5 a) Las dos barras de plástico se repelen entre si. b) La barra de vidrio es atraída por el plástico.

Los dos tipos de carga eléctrica fueron identificados como cargas positivas y cargas negativas por el norteamericano Benjamín Franklin (1706-1790). Los nombres se asignaron arbitrariamente, por convenio, la carga positiva es el tipo de carga eléctrica que adquiere el vidrio. Consecuentemente, la carga negativa es la adquirida por el plástico.

2 La carga eléctrica y los átomos. En la actualidad, sabemos que la conducta eléctrica de los cuerpos se origina en la estructura de la materia. Como ya se sabe, los cuerpos están formados por átomos.

Los átomos a su vez están constituidos por protones, que poseen carga positiva; los electrones, que tienen carga negativa; y los neutrones, que son partículas sin carga.

En general, los átomos son eléctricamente neutros, pues tienen el mismo número de protones que de electrones y los primeros compensan la carga de los segundos.

Cuando se frota un cuerpo, este puede ganar o perder electrones; ahora podemos comprender que cuando se produce el frotamiento, el plástico gana electrones, adquiere carga negativa y el vidrio pierde electrones y adquiere carga positiva.

3 Corriente eléctrica. Los electrones de un átomo están sujetos al núcleo por una atracción eléctrica, ya que los electrones tienen carga negativa, mientras que el núcleo tiene carga positiva.

Por ese motivo, en condiciones normales, los electrones no se separan del núcleo y se limitan a girar en torno a el.

Sin embargo, bajo ciertas condiciones, los electrones de un átomo pueden ser arrancados de este y desplazarse continua y ordenadamente de un átomo a otro. Este movimiento de los electrones se llama corriente eléctrica (Fig. 6).


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Fig. 6 La corriente eléctrica es un desplazamiento continuo y ordenado en el interior de un cuerpo.

4 Conductores y aislantes. Los cuerpos se clasifican en conductores y aislantes según permitan o no circular la corriente eléctrica.

Son conductores los cuerpos que permiten circular a través de ellos la corriente eléctrica.

Esto se debe a que, en los átomos de los cuerpos conductores, la atracción entre el núcleo y los electrones es pequeña y, por tanto, estos pueden ser separados del núcleo con facilidad.

El hierro, el cobre y, en general todos los metales, son elementos conductores de electricidad.

Son aislantes los cuerpos que no permiten circular a través de ellos la corriente eléctrica.

Esto se debe a que, en los átomos de los cuerpos aislantes, la atracción entre núcleo y los electrones es muy grande y, por tanto, estos no pueden ser separados del núcleo. El plástico, la madera y la lana, son aislantes.

5 Circuito eléctrico. Un circuito eléctrico es un conjunto de cables conductores unidos a un generador de corriente.

Para que circule la corriente eléctrica por un circuito, es necesario que los cables se encuentren unidos entre si y que los extremos estén conectados a cada polo del generador.

Las pilas son los generadores de corriente más sencillos. Para producir la corriente eléctrica, la pila (el generador) debe comunicar energía a los electrones, y así estos pueden moverse en el interior del conductor.

En un circuito eléctrico pueden intercalarse aparatos como focos, motores, que funcionan con el paso de la corriente eléctrica.

Por ejemplo, si se quiere construir un circuito eléctrico con un foco, es necesario conectar el polo positivo de la pila, a través de un cable con la rosca o la punta del foco (la rosca y la punta son las dos posibles conexiones que tiene el foco).

Con otro cable se conecta la parte restante del foco al polo negativo de la pila. De esta forma tenemos un circuito cerrado por el que puede circular la corriente eléctrica (Fig. 7).












Fig. 7 a) Circuito eléctrico con dos focos conectados en serie. b) Circuito eléctrico con dos focos conectados en paralelo.



















Síntesis

Los cuerpos que tienen la propiedad de atraer el hierro, níquel y cobalto, se llaman imanes. La magnetita es imán natural, pues se encuentra libre en la Naturaleza. Pero también existen imanes artificiales. Las dos formas de obtener imanes artificiales es la inducción y el frotamiento.

La propiedad de los imanes no es uniforme en toda su superficie, pues se concentra en dos lugares llamados polos del imán. En los imanes largos, los polos suelen estar en los extremos. Hay dos clases de polos magnéticos: norte y sur. Los polos del mismo nombre se repelen y polos de nombre distinto se atraen.

El ámbar fue el primer material donde se observaron los fenómenos eléctricos. Otras sustancias, como el vidrio y el plástico, también pueden ser electrificadas.

Todos los cuerpos tienen en sus átomos una gran cantidad de carga eléctrica positiva y negativa. Los cuerpos cuya carga se encuentra fija se llaman aislantes. Los otros cuerpos, en los que una parte de la carga puede moverse se llaman conductores.

La carga en movimiento se llama corriente eléctrica. Se llama circuito eléctrico al conjunto de cuerpos en contacto por los que pueden circular corriente eléctrica.

Las pilas son productores de energía eléctrica a partir de energía química. Los focos y los motores son consumidores de energía eléctrica y la transforman en energía luminosa, térmica o mecánica.

Aplica tus conocimientos

Lee la siguiente pregunta, copia en tu cuaderno el análisis y completálo.
Pregunta
Análisis
¿Por qué los imanes atraen más desde la periferia que del centro?

Clave: los polos magnéticos.
Las líneas del campo magnético son curvas cerradas que salen del imán cerca del
y regresan a el cerca del

Contesta en tu cuaderno las siguientes preguntas mediante un análisis similar al anterior.

¿Por qué después de peinarnos, el peine atrae nuestro cabello? CLAVE: La electrización, electricidad estática.

¿Qué tipo de carga tendrá un cuerpo que posea mas electrones que protones?, ¿y cual otro que posea mas protones que electrones? CLAVE: Carga eléctrica.

Actividades.

1 Magnetismo

Material:
Tijeras
Limadura de hierro (se consigue en las ferreterías)
1 Regla
1 imán de barra
1 lápiz
1 imán de herradura
1 llave
1 vidrio de 20 cm2
clipes
1 cartón de 20 cm2
1anillo
1 tabla de madera 20 cm2
1 hoja de papel


Procedimiento: forma un equipo de tres integrantes y realicen los siguientes experimentos. Utilicen un cuaderno para ilustrar sus observaciones y anoten sus conclusiones.

Coloquen la hoja de papel sobre uno de los imanes y dejen caer en ella la limadura de hierro. Golpeen la hoja con suavidad y dibujen los que observan. Repitan la experiencia con el segundo imán.

Coloquen el clavo encima del vidrio, y muevan el imán por debajo de este. Repite la operación con la madera, el cartón y la hoja de papel.

Repitan el paso anterior con los demás objetos. Señalen los objetos que son atraídos por los imanes y expliquen por que.

Discutan las siguientes preguntas y anoten en su cuaderno las conclusiones.
- ¿Cómo pasa la fuerza del imán a través de distintos materiales?
- ¿Por qué la limadura de hierro se distribuye?
- ¿Cuáles son las aplicaciones útiles de los imanes?

2 Las fuerzas eléctricas

Material:
dos tubos de vidrio
un trozo de piel o seda
dos tubos de plástico
un soporte con nuez
(pueden servir los de las plumas)
una varilla metálica
un trozo de lana (pueden servir un suéter una madeja)
un hilo de nailon

Procedimiento: frota uno de los tubos de plástico con la lana y cuélgalo de la varilla de metálica. Frota con la lana el otro tubo de plástico y acércalo al que colgaste anteriormente. Responde ¿Qué movimiento observas en el tubo colgado? Anota tu respuesta.

Repite la operación anterior con los tubos de vidrio, y frótalos con el trozo de piel. Contesta ¿Qué movimiento observas ahora en el tubo colgado? registra tu respuesta.

Procede como en los casos anteriores; cuelga el tubo de vidrio que frotaste con la piel y acerca el tubo de plástico que frotaste con la lana. Responde ¿Qué movimiento se observa esta vez en el tubo colgado?

Forma un equipo de cuatro integrantes y respondan las siguientes preguntas en su cuaderno.

-¿En qué casos se atraen los tubos?
-¿Cuándo se repelen?


Material:

-2 plumas de plástico (bolígrafos). Le quitamos el repuesto y su tapa para que estén más livianas, dejando los puros casquillos.

- Un lápiz con buena punta.
- Un tubo de ensayo.
- Un trozo de plastilina.
- Una varilla de vidrio de unos 20 cm. Aproximadamente.
- Una tela de lana (un trozo de 10 x 15 cm. Aproximadamente).
- Una tela de seda (un trozo de 10 x 15 cm. Aproximadamente).
















Charles A. de Coulomb.

















Fig. 8 Rehilete electroestático.

Procedimiento:

- Fija el lápiz sobre una mesa con la plastilina, quedando la punta hacia arriba, (Fig. 8a).

- Al tubo de ensayo pégale por la parte de abajo y por afuera una barra de plastilina del tamaño de un garbanzo y con la pluma presiona para marcar una onda como indica la Fig. 8b.

- Introduce el tubo de ensayo boca abajo sobre el lápiz como indica la Fig. 8c.

- Al colocar el tubo de ensayo sobre el lápiz comprueba que el tubo puede girar libremente y sin dificultad.

- Por ultimo, equilibra uno de los casquillos de pluma sobre la plastilina del tubo de ensayo acostándolo apoyado a la mitad (para eso marcaste una onda de plastilina).

- El casquillo de pluma no lo presiones ni pegues, solo va equilibrado Fig. 8d.

Funcionamiento.
Con una sola mano sostén el casquillo de la pluma por sus extremos con dos de tus dedos. Fig. 9





Fig. 9 Forma de sostener el casquillo de pluma al frotarlo.





Usando la otra mano y con el trozo de tela de lana, frota con fuerza el casquillo de la pluma para electrizarlo y ponlo en equilibrio sobre la plastilina del tubo de ensayo.

Procura no tocar las partes frotadas de la pluma para evitar que por el contacto se descargue.

ya equilibrado y electrizado el primer casco de pluma, electriza también por frotamiento la otra pluma.

Ahora cerca de esta pluma electriza a la que pusiste sobre el tubo de ensayo Fig. 10












Fig. 10 Las dos varillas de plástico se repelen por tener carga (-) del mismo signo.

Con el frotamiento las dos plumas adquieren el mismo tipo de carga (negativo en el plástico).

¿Qué sucede al acercar las dos plumas que poseen el mismo tipo de carga?

Las dos plumas deben mostrar rechazo, deben repelerse; si no sucede así, vuelve a frotar las plumas con fuerza y procura no tocar las partes frotadas para evitar que se descarguen.

- Ahora frota con una tela de seda la varilla de vidrio. Debido a este frotamiento, el vidrio perderá electrones quedando con carga positiva.

- Acerca el vidrio con su carga positiva a la pluma en equilibrio, que tiene carga negativa.

- ¿Qué sucedió al acercar la varilla de vidrio (+) a la pluma (-)?

El hecho de que el vidrio y la pluma se atraigan, nos demuestra que las cargas eléctricas diferentes se atraen.