PROGRAMACIÓN DIDÁCTICA 2º E.S.O. FISICA Y QUIMICA
Aránzazu Gasca Andréu
9. ELECTROMAGNETISMO Seguimos con las fuerzas existentes en la Naturaleza y esta que vamos a estudiar en esta unidad es una de las más interesantes. Veamos: A lo largo de este curso has adquirido un amplio conocimiento sobre la electricidad y los circuitos eléctricos.
Sabes, por ejemplo que un elemento imprescindible en cualquier circuito eléctrico es el
generador: El elemento capaz de proporcionar a las cargas eléctricas la energía necesaria para moverse por el circuito. En esta unidad vamos a estudiar cómo es posible general electricidad a partir del movimiento de unos imanes o de un conductor situado cerca de un imán. Estos procesos se llevan a capo en las centrales eléctricas y sirven para que podamos utilizar la energía eléctrica en los centros de enseñanza, en los hogares o en las industrias. Hoy en día, los fenómenos electromagnéticos tiene una importancia enorme en nuestra sociedad: el microondas, el teléfono móvil o el televisor son sólo algunos ejemplos de las aplicaciones de los fenómenos electromagnéticos. ESQUEMA DE LA UNIDAD 1. MAGNETISMO 1.1 El magnetismo y los imanes Hace muchos siglos que se conocen los efectos de las “rocas magnéticas” capaces de ataer objetos metálicos. Los antiguos griegos ya conocían el fenómeno denominado magnetismo. Y hace varios milenios los chinos empleaban una aguja imantada a modo de brújula para guiarse en sus incursiones en el mar, aprovechando el magnetismo existente en nuestro planeta. Esto les permitía, por ejemplo, orientarse por la noche o en días con mucha niebla. Esas rocas magnéticas estaban compuestas de magnetita, un mineral de hierro capaz de atraer a ciertos metales.. Un imán es un objeto capaz de atraer a ciertos materiales metálicos, como aquellos elaborados con hierro, por ejemplo. Los imanes que usamos habitualmente contiene hierro o materiales denominados ferromagnéticos, como el níquel, el cobalto o aleaciones formadas por estos metales. En un imán existen dos polos, llamados polo norte y polo sur del imán, donde el magnetismo es más intenso. !
En un imán de barra los polos están en los extremos.
!
En un imán de herradura los polos están en los extremos.
Si rompemos un imán por la mitad, no separamos los polos, sino que se forman dos imanes, cada uno con sus polos norte y sur. Es imposible separar los polos de un imán. Un imán siempre tiene dos polos. Esto se explica suponiendo que un imán está formado internamente por muchos imanes muy pequeños orientados de la misma manera. Por eso no podemos separar los polos de un imán. (Observa la imagen de la derecha, son limaduras de hierro en agua, lo podemos hacer el viernes en el Laboratorio, ¿Te animas?) 1
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La imagen de arriba te muestra las líneas de campo que producen los diferentes imanes. ¿Te acuerdas del globo terráqueo que nos enseñó Cristina? Era como el de la imagen. Contiene imanes en su interior. Haz un esquema en tu cuaderno mostrando la disposición de los polos norte y sur de los imanes que deben estar presentes en el soporte y la esfera que representa la Tierra. ¿Por qué puede girar esta Tierra alrededor de un eje vertical si le damos un pequeño impulso, pero no alrededor de un eje horizontal? 2. EL CAMPO MAGNETICO 2.1 La brújula y el magnetismo terrestre. La brújula es un instrumento muy antiguo, aliado de los navegantes y que ha acompañado al hombre en todas sus aventuras por este planeta. En el siglo VI A.C. se descubrió (por un pastor según cuenta la leyenda) que cierta clase de mineral atraía al hierro. Como fue hallado cerca de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, se llamó piedra de Magnesia y el fenómeno se denominó magnetismo. INVESTIGA: HAZ UNA PEQUEÑA INVESTIGACIÓN SOBRE LA BRÚJULA, ¿CÓMO FUNCIONA? ¿QUÍEN LA INTRODUJO EN EUROPA? ¿CÓMO SE ORIENTA? SUBE EL DOCUMENTO DE GOOGLE QUE HAGAS A LA CLASSROOM. ¿Por qué se recomienda mantener las brújulas alejadas de imanes? Rellena los test sobre el electromagnetismo que tienes alojados en la Classroom y en la página web. https://docs.google.com/forms/d/1ieR1U8dxZ4-w6wZqNrjPM15jMRROqnQ-uiTx5cVXlXw/edit https://docs.google.com/forms/d/1tp7TMmvEyYEgZEnmIqoVhnVGKe1oLVTgEo4q3eY4ROc/edit
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3. LA CORRIENTE ELECTRICA PRODUCE EFECTOS MAGNETICOS 3.1 Experiencias de Oersted. HOY TU ERES EL PROFE. VISIONA EL VIDEO DE CIENCIABIT https://www.youtube.com/watch?v=eawtABJG-y8 PREPÁRATE UNA EXPLICACIÓN DEL EXPERIMENTO PARA HACERLA EN CLASE MAÑANA. ¿TE ATREVES A REALIZAR EL EXPERIMENTO EL VIERNES EN EL LABORATORIO?
4. EL MAGNETISMO PRODUCE ELECTRICIDAD. 4.1 Experiencias de Faraday. https://www.youtube.com/watch?v=voHz6sxwQ2Q https://www.youtube.com/watch?v=PT9bh_BrX9M El científico Michael Faraday pensó que si una corriente eléctrica se puede comportar como un imán, entonces un imán debe ser capaz de generar una corriente eléctrica.
Para comprobarlo realizó varias
experiencias que en 1831 le permitieron producir una corriente eléctrica por medio de imanes.
5. APLICACIONES DEL ELECTROMAGNETISMO. Muchas de las tecnologías que utilizamos en nuestra vida diaria basan parte de su funcionamiento en fenómenos magnéticos que ya hemos ido viendo en la unidad.
Desde la brújula que ayudó a los
navegantes a orientarse en medio del mar, hasta los discos rígidos de los ordenadores que almacenan la información en una delgadísima película magnética, pasando por las tarjetas de crédito que guardan nuestros datos en la banda magnética de la parte posterior. El objetivo de este último punto de la unidad es motivar tu interés por el funcionamiento de los aparatos que te muestro a continuación, a través de experimentos sencillos y rudimentarios como los que te he ido trayendo estos días a clase. Investiga el funcionamiento con tu equipo de un instrumento de la lista de abajo. Haz una pequeña presentación de Google que deberás subir a la clase, recuerda que no podrá ser de más de 5 diapositivas. 5.1 El transformador. 5.2 El motor eléctrico 5.3 Pilas y baterías. 5.4 Generadores electromagnéticos: Alternador y dinamo. 3
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5.5 La inducción.
ACTIVIDADES Y PROBLEMAS
1. Elabora una lista con objetos de tu entorno que puedan ser atraídos por imanes. 2. ¿Qué quiere decir que un imán sea temporal? Pon un ejemplo de cada respuesta. 3. ¿En que zonas del imán es más intensa la atracción ejercida sobre un objeto metálico? 4. Analiza la siguiente frase: “La tierra es un imán inmenso” a) ¿Qué experiencia pone de manifiesto el campo magnético terrestre? b) ¿El polo norte magnético y geográfico terrestre coincidirán? c) Infórmate sobre otros astros del Sistema Solar que tengan un campo magnético. 5. ¿Por qué el polo norte de una aguja imantada se dirige hacia el polo norte terrestre si los polos idénticos de un imán se repelen? 6. ¿Cómo puedes saber si en una zona existe un campo magnético? 7. Explica cómo emplearías una brújula en cada uno de los siguientes casos: a) Para dirigirte exactamente hacia el este. b) Para saber si pasa corriente eléctrica por un conductor y cual es su sentido. 8. Indica y dibuja las partes de una dinamo 9. Paseo por la red. Busca información sobre los electroimanes. ¿Qué son? ¿Para qué se utilizan? Busca fotos y dibujos de cómo son y haz un esquema en tu cuaderno. Indica que le ocurre a un electroimán cuando se corta la corriente eléctrica 10. ¿Por qué crees que se utiliza hierro dulce en los electroimanes de las grúas magnéticas? 11.
Lee atentamente las siguientes afirmaciones e indica cuáles son verdaderas y cuáles son falsas.
Razonando tu respuesta. a) Los imanes atraen a los metales b) Cuando se rompe un imán recto, se obtienen dos imanes con un solo polo cada uno. Uno tendrá el polo sur y el otro el norte. c) Un solenoide y un electroimán no se diferencian en nada. d) Un imán colocado frene a una bobina produce en ella corrientes inducidas. 12. ¿Crees que una caja de brújula puede estar hecha de hierro? Razona tu respuesta. 4
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13. Si consideramos a la Tierra como un gran imán, ¿en que regiones del planeta están situados los polos? Entonces, ¿Dónde será mayor el campo magnético terrestre, en los polos o cerca del ecuador? 14. Completa las siguientes frases: a) Una corriente eléctrica origina un campo …………………………….. b) El polo norte de la brújula señala el polo……………….geográfico de la Tierra. 15.
Un electroimán sujeta un pequeño objeto de hierro.
Al desconectar la corriente que alimenta el
electroimán, el objeto no cae inmediatamente, ¿por qué? 16. Si quieres imantar una aguja de acero, ¿Cómo lo harías en cada uno de los siguientes casos? a) Si dispones de un imán. b) Si no tienes un imán, pero si una pila con un hilo de cobre.
9. ELECTROMAGNETISMO
1. Indica cómo se pueden observar las líneas de fuerza del campo magnético producido por un imán. 2. Sabiendo que las brújulas se orientan como indica la figura y que A y B son dos imanes que se atraen, señalar el nombre de los polos de cada imán.
3. Describe dos procedimientos para imantar un trozo de hierro. 4. Indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas o falsas: a) Cortando un imán por la mitad se separan los polos norte y sur.
V
F
b) La Tierra se comporta como un gran imán cuyo norte casi indica la dirección del Sur. V
F
c) Los átomos se comportan como pequeños imanes.
F
V
5. Dibuja un imán con sus polos y las líneas de fuerza del campo magnético que produce, indicando el sentido convencional de dichas líneas. 6. Explica dos procedimientos para construir una brújula. 7. ¿Por qué ha sido muy importante históricamente el instrumento de la brújula? 5
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8. La experiencia de Oersted marca el comienzo del electromagnetismo. Haz un dibujo del montaje correspondiente y describe lo que sucede. 9. ¿Qué es un electroimán? Explica cómo construirías uno y cita tres aplicaciones prácticas de los electroimanes. 10. En un motor eléctrico: – Cita las partes que lo componen. – Explica su funcionamiento. – El motor transforma energía ____________________ en energía ________________. – Cita cinco aparatos eléctricos que utilicen un motor. 11. En una dinamo: – Cita las partes que la componen. – Explica su funcionamiento. – La dinamo transforma energía ____________________ en energía _______________. – ¿Qué diferencia a una dinamo de un alternador? 12. Indicar en qué situaciones se produce corriente eléctrica inducida en una bobina: – Si le acercamos un imán.
SI
NO
– Si el imán permanece en reposo en el interior de la bobina.
SI
NO
– Si alejamos el imán.
SI
NO
– Si hacemos girar el imán cerca de la bobina.
SI
NO
– Si acercamos la bobina al imán que se encuentra en reposo.
SI
NO
13. El alternador transforma energía __________________ en energía ___________________. 14. Señalar todas las transformaciones energéticas que se producen en una central: a) Hidroeléctrica.
b) Térmica.
c) Eólica.
d) Nuclear.
15. Buscar información y hacer un cuadro comparativo de las ventajas e inconvenientes de cada una de las centrales eléctricas siguientes: nuclear, hidroeléctrica, térmica y eólica. (Trabajo en grupos). 17. Buscar información sobre el consumo y la producción anual de energía en nuestro país y comparar los datos. a) ¿En qué tipos de energía somos deficitarios? b) ¿Qué grado de dependencia tenemos del exterior? 6
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c) ¿Qué % de la energía consumida corresponde a energías alternativas? 18. Dado un gráfico con la evolución del consumo mundial de energía según los tipos de energía: a) ¿Qué ocurre con las energías alternativas? b) ¿Qué puede suceder si el consumo sigue evolucionando como en las últimas décadas? 19. Cita ocho medidas de ahorro energético que cualquiera de nosotros puede adoptar en la vida ordinaria.
20. Indicar, para cada central eléctrica, los números correspondientes a los problemas medioambientales que producen:
21. Calcular el importe de un recibo de la luz incompleto, en el que se conozcan las fechas de las dos últimas lecturas, el valor de las dos lecturas, la potencia contratada, el precio de la potencia contratada por KWh y mes, el precio del kwh consumido, el alquiler del contador al mes y el % de IVA. 22. Clasifica las siguientes fuentes de energía en renovables o no renovables: – Nuclear
– Eólica
– Carbón
– Hidroeléctrica
– Biomasa
– Petróleo
– Gas natural
– Mareomotriz – Solar
23. Si fueras responsable de medio ambiente de una gran ciudad, ¿qué medidas aplicarías para reducir el consumo de energía y, a la vez, reducir la contaminación? 24. Dibuja un transformador. ¿Para qué sirve?¿Con qué tipo de corriente funciona? 25. ¿Por qué el transporte de energía eléctrica se realiza a voltajes elevados, del orden de decenas de miles de voltios?
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Unidad 9. El magnetismo. TRABAJA CON DOCUMENTOS LA PIEZOELECTRICIDAD. UNA PROPIEDAD SORPRENDENTE Sabemos que los hombres primitivos, cuando querían encender un fuego, golpeaban una piedra de pedernal para producir chispas con las que encender montoncitos de fibras secas, y con ellas la leña. Hasta bien entrado el siglo XX los campesinos solían llevar en el bolsillo su piedra de chispa (pedernal) y su eslabón (trocito de hierro para golpearla); con ellos encendían la yesca para prender una fogata. El ser humano no debió tardar mucho tiempo en encontrarle aplicaciones a esta propiedad de algunas piedras de soltar chispas al golpearlas, pero ha necesitado casi un millón de años para comprenderlo. Hoy a este fenómeno le llamamos piezoelectricidad (del griego ηιεζω = piezo= comprimir, y electricidad) y sabemos que se produce en aquellas sustancias formadas por iones y que forman cristales sin centro de simetría, como los de cuarzo, fosfato ácido de amonio, sal de Rochelle (tartrato de sodio y potasio), y algunas más. Al presionar estos cristales, las nubes electrónicas se desplazan a un lado del cristal, donde aparece un exceso de carga negativa y, por tanto, en la cara opuesta aparece carga positiva, como se muestra en la siguiente ilustración.
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Este efecto ha sido aprovechado en el siglo XX para decenas de aplicaciones, de las que mencionaremos solo algunas: – El antiguo disco microsurco se podía «escuchar» gracias a una aguja que recorría el surco trazado en el disco y que era solidaria con un cristal piezoeléctrico que se cargaba de electricidad al recibir estas presiones laterales. Esta corriente era amplificada y enviada a un altavoz. – El micrófono de cristal se basa en una membrana metálica elástica unida a un cristal piezoeléctrico. El sonido hace vibrar la lámina metálica y esta presiona más o menos el cristal, generando cargas de manera proporcional a la presión aplicada. Esta corriente variable es amplificada a continuación y utilizada para una emisora o una grabación. En la figura siguiente se muestra un esquema del funcionamiento de un micrófono de cristal.
– Un empleo más modesto se le asigna en la fabricación de encendedores para el gas de la cocina o del calentador, e incluso algunos encendedores de bolsillo; en todos ellos, cuando se golpea el cristal, se produce una fuerte chispa capaz de saltar entre dos electrodos y encender el gas que se encuentra entre ellos, como se indica en la ilustración.
Un empleo mucho más sofisticado se le da cuando se utiliza para construir emisores y receptores de ultrasonidos para barcos, submarinos y para usos médicos. También cuando se emplea para estabilizar las ondas de las emisoras o de los teléfonos móviles, o para cronometrar el tiempo en tu reloj de cuarzo de modo que no varíe más allá de un segundo al año. 9
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Sintetiza el contenido.
•
Resume en qué consiste el efecto piezoeléctrico. Reflexiona sobre algunas ideas ¿Te imaginabas que esta extraña propiedad pudiera tener tantas aplicaciones?
•
Indica cuáles de las mencionadas conocías y de cuáles de ellas desconocías su fundamento.
•
Intenta encontrar alguna otra aplicación del fenómeno que acabas de estudiar.
Química en Sociedad: “Los Chinos, las brújulas y Marco Polo”
La brújula y la navegación. Antes de que la brújula fuera inventada (las primeras noticias que se tienen proviene de China en el siglo XI; en Europa se tienen noticias de su existencia en el siglo XII) Los marinos debían orientarse observando el Sol y las estrellas. Las dificultades eran grandes, imaginémonos una noche nublada), por eso se navegaba siguiendo la línea de la costa. La brújula hizo que los navegantes pudieran adentrarse en alta mar y llegaron a cruzar los océanos. Actualmente se emplean sistemas de navegación por satélites que permiten conocer la posición de un barco en cualquier punto del planeta con una exactitud de pocos metros. 1. Haz un pequeño trabajo (con dos folios bastara) sobre la brújula, la importancia que tuvo en la ruta de la seda. ¿Quién fue Marco Polo y que importancia tuvieron sus descubrimientos en la navegación?
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“VAMOS AL LABORATORIO” 8 UNIDAD 9. EL ELECTROMAGNETISMO
Electromagnetismo I -Construcción de un electroimán. Actividad I: -Construcción de un electroimán. Sigue las instrucciones: -Enrolla el hilo de cobre alrededor del clavo más de 100 vueltas (bien fuerte). -Deja suficiente cable por los dos extremos (unos 20 cms. Aprox.). A continuación… -Quita la protección de la pila y une los dos extremos de cable a los polos de la pila. -Acerca materiales de hierro al clavo y…. ¡Observa! Acabas de construir un electroimán. Dibuja el electroimán.
Electromagnetismo II Experimento de Oersted. Actividad III: -Vamos a reconstruir el experimento de Hans Christian Oersted. Este investigador observó, en 1819, que una aguja magnética podía ser desviada por el efecto de una corriente eléctrica. Este descubrimiento puso de manifiesto la existencia de una conexión entre la electricidad y el magnetismo. -Dibuja el experimento. Actividad IV: Comprobar que sólo las cargas en movimiento producen campo magnético. Comprobar cómo si ponemos frente a una brújula elementos cargados estáticamente no alteran la dirección de la brújula, mientras que si aplicamos una corriente eléctrica cerca de la brújula, ésta si altera la dirección de la brújula. -Dibuja el experimento. 11
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Electromagnetismo III -Modelo de Tierra con un imán en el interior de su núcleo. -Modelo de Tierra con un electroimán en el interior su núcleo. -Conclusiones. Actividad V: Modelo de Tierra con un imán en el interior de su núcleo Actividad VI: Conclusiones.
¿Cómo construir una pila eléctrica en casa? Una pila es un dispositivo que permite obtener una corriente eléctrica a partir de una reacción química. En esta experiencia te vamos a enseñar a construir una pila casera que, además, funciona. Material que vas a necesitar: •
Un vaso
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Una botella de vinagre
•
Un trozo de tubería de cobre (de las que se usan para las conducciones de agua)
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Un sacapuntas o afilalápices metálico
•
Cables eléctricos
•
Un aparato que vamos a hacer funcionar con la pila. Se obtienen buenos resultados con los dispositivos musicales que llevan algunas tarjetas de felicitación. También puede servir un reloj despertador de los que funcionan con pilas.
¿Cómo construir la pila? toda pila consta de dos electrodos (generalmente dos metales) y un electrolito (una sustancia que conduce la corriente eléctrica). En este caso vamos a utilizar como electrodos los metales cobre y magnesio. En concreto, vamos a utilizar una tubería de cobre y un sacapuntas, cuyo cuerpo metálico contiene magnesio. Como electrolito vamos a utilizar vinagre. Construir la pila es muy sencillo sólo tienes que introducir los electrodos en el interior del vinagre contenido en un vaso y unir un cable a cada uno de ellos (tal como muestra la figura).
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Un reloj a pilas (sirve un despertador)
Sólo tienes que unir los cables de la pila a los dos polos del porta pilas del aparato. Pero no olvides que hay que buscar cuál es la polaridad correcta, sino puede que el aparato no funcione. NOTA: Mientras no se utilice, hay que tener el sacapuntas fuera del vinagre para evitar que reaccionen. Observarás que cuando entran en contacto, el magnesio del sacapuntas reacciona con el ácido del vinagre y se desprenden numerosas burbujas. Se trata de gas hidrógeno.
Sigue experimentando. Puedes intentar hacer funcionar otros aparatos con esta pila. Probablemente lo consigas con un pequeño motor eléctrico. También puedes intentar construir otras pilas utilizando otros metales y otros electrolitos. El problema que vas a encontrar es que la intensidad que obtienes es muy baja y te va a resultar difícil hacer funcionar los aparatos. Pero, si tienes un polímetro (aparato para medir intensidades y diferencias de potencial eléctricas) a mano podrás detectar la corriente obtenida.
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