Como por acto de magia? Los efectos de las cargas eléctricas

Las interacciones eléctrica y magnética

4.1 ¿Como por acto de magia?

Los efectos de las cargas eléctricas En el Ateneo

1. ¿Como por acto de magia?

Esta actividad consiste en observar varios fenómenos y tratar de explicarlos, para transformar una experiencia aparentemente inexplicable, de la que no conoces su causa, en la experiencia de hacer ciencia y comprender.

Necesitas

Objetos de plástico Bolígrafo con su tapa, regla o peine de plástico. Objetos de vidrio: vaso chico limpio y seco, varilla de vidrio o agitador de soluciones Varios pañuelos desechables o papel higiénico Tu suéter Hilo Péndulo

Procedimiento

■ Corta algunos pedacitos de pañuelo desechable, con un tamaño menor que 0.5  0.5 cm. ■ Frota un objeto de plástico (bolígrafo, regla o el peine) con uno de los otros pedazos del papel o con tu suéter. ■ Acerca el plástico a los papelitos y observa cómo se mueven y se pegan a él. • ¿Por qué crees que se mueven? Escribe la respuesta en tu cuaderno. ■ Cuelga del hilo la tapa del bolígrafo, para evitar la fricción y observar con claridad lo que sucede. ■ Coloca tu péndulo en un lugar fijo. (Puede colgar de tu banca, o si estás en el laboratorio usa un soporte universal). ■ Cierra las puertas para impedir que las corrientes de aire muevan tu péndulo. También toma en cuenta que este tipo de fenómenos se estudian mejor en ambientes secos. En el Bloque 4 podrás comprender mejor esta última recomendación. ■ Frota la tapa del bolígrafo con el papel del pañuelo desechable, o con tu suéter, y déjala en reposo. ■ Luego, frota el bolígrafo con el papel o con tu suéter y acércalo a su tapa, pero no la toques. ¿Por qué se mueve? ¿Hacia dónde? ■ Frota el vidrio y acércalo a la tapa. ¿Se mueve hacia la misma dirección? ¿Por qué crees que sucede esto? ■ Discute con tus compañeros de equipo y propón una hipótesis de la causa de estos movimientos. ■ Repite la experiencia cuantas veces sea necesario para tratar de comprobar tu hipótesis.

No importa que tus ideas no sean iguales a las de otros equipos, lo valioso es que trates de explicar algo diferente con los conceptos que conoces. ■ Escribe tus conclusiones. ■ En esta lección conocerás ese fenómeno y cómo ocurre. Cuando lo estudies, compara lo que aprendiste con estas conclusiones, para que identifiques tus nuevos conocimientos sobre un fenómeno nuevo.

LECCIÓN

4

Alrededor de 1600 a.n.e. los griegos identificaron lo mismo que tú acabas de experimentar, pero con el ámbar. Cuando se le frotaba con una piel de animal, atraía pequeños trozos de paja u hojas secas. Ellos nombraron electrón al ámbar, que significa originado por el sol. Lo llamaron así por su apariencia, pero también por su extraña propiedad que comparte con algunos materiales, para los griegos desconocidos, pero para ti muy cotidianos, como el plástico y el vidrio. Como sabes, los objetos se mueven por acción de una fuerza. En el experimento anterior, una fuerza hizo que se movieran los trozos de papel, y es producida por algo que aún no hemos definido. 2.38. El ámbar es una resina fosilizada de coníferas extintas. En la primera lección de este Bloque mencionamos que existen las siguientes fuerzas en la Naturaleza: la gravitacional, la magnética, la fuerza débil, la fuerte y la eléctrica. Esta última es la responsable de lo que analizaste en tu actividad; debe su nombre a las observaciones de los griegos con el ámbar. Sabemos que la fuerza gravitacional es causada por la masa de los objetos. ¿Pero cómo se genera la fuerza eléctrica? Transcurrieron muchos siglos para responder esta pregunta, pero en el Bloque 4 conocerás mejor toda su historia. Por el momento te diremos que la materia tiene otra característica, además de su masa, que se conoce como carga eléctrica. En la actividad anterior frotaste dos objetos del mismo material, el bolígrafo y su tapa, y viste cómo se alejaban al tratar de acercarlos. Eso se debe a que dos cuerpos que comparten la misma propiedad, se repelen. Sin embargo, sucedió lo contrario cuando frotaste el vidrio: la tapa se acercaba. El vidrio tiene algo distinto que lo hace atraer a ese objeto. Experimentos como ésos permitieron saber que la carga Plástico                     Plástico          eléctrica se presenta en dos formas: la carga positiva () y la carga negativa (), y que cuando dos objetos poseen la misma carga se repelen, pero si sus cargas son diferentes   Papel se atraen.             Lana                  Cuando los cuerpos de la Naturaleza tienen el mismo número de cargas positivas y de negativas, se dice que se encuentran en estado neutro. Tú mismo, Vidrio   Seda Vidrio Papel tu mesa, tu bolígrafo y todo lo que te rodea se encuentra en estado neutro. Cuando frotas los objetos, le arrancas 2.39. Cuando frotas un objeto de plástico cargas a uno y las agregas al otro, pues ellas no aparecen ni desaparecen con lana o papel, éste arranca cargas negade la nada. Es decir, el número de cargas se conserva, como la masa y la tivas de dichos materiales. Del mismo modo, la seda y el papel le arrancan cargas negativas al vidrio. Esto es lo que apreciaste en la energía. El principio de conservación de carga es tan importante como el de energía. actividad de la página 85. En la ilustración Un cuerpo que adquiere carga por frotamiento se comporta igual que de arriba los signos (–) representan exceso de el que observaste durante tu actividad. Se asignó a los electrones la carga cargas negativas y los (+) disminución de éstas. negativa, pero esto es una convención, que ahora todos respetamos. Con la lectura de algunas páginas y una actividad estás descubriendo lo que a la humanidad le tomó más de 1 800 años. En 1789, año de la Revolución Francesa, el físico francés Charles Augustin Coulomb (1736-1806) utilizó un dispositivo que se conoce como balanza de torsión, para medir la fuerza que ejercen dos cargas entre sí.

A partir de los resultados que obtuvo con la balanza de torsión, Coulomb formuló una ley que dice: La fuerza entre las cargas eléctricas es proporcional al producto de las cargas (q 1 y q 2 ) e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) que las separa.

Lo anterior se puede expresar como: F K q q d 1 2 2

La unidad con que se mide la carga eléctrica es el coulomb (C). El valor de la constante K en el vacío se da en unidades del Sistema Internacional y es: K 9 10 9 Nm C 2 2

En el reto 19 (de la página 104) se te pide que escribas esta cantidad de forma desarrollada.

Si comparamos el enunciado de la Ley de Coulomb con el de la ley de la gravitación universal de Newton, notaremos una gran semejanza, incluso en sus expresiones matemáticas: F Gmm d 1 2 2 y F K q q d 1 2 2

Y aunque en ambos casos se trata de fuerzas, su origen es distinto, en el primero describen la fuerza producida por las masas de dos cuerpos, y en el segundo, la que generan las cargas eléctricas. En el primero se obtiene una fuerza de atracción, y en el segundo la fuerza puede ser de atracción o de repulsión; en el primero la constante es muy pequeña, mientras que en el segundo muy grande. Esto hace que la fuerza eléctrica sea mucho mayor que la gravitacional.

Cuando frotaste el material plástico, en la primera actividad de esta lección, lo electrificaste y te fue posible levantar los papelitos que habías cortado antes. De modo que la resultante hacia arriba, producida por la fuerza de atracción eléctrica, fue mayor que el peso de cada papel que, como sabes, es hacia abajo.

De la misma manera que relacionamos la masa con una energía, podemos asociar a la carga una energía eléctrica, de la cual hablamos en la lección anterior. Ahora entiendes qué la produce: las cargas eléctricas.

En la página 78 viste que se llama energía potencial gravitatoria al efecto de oponerse a la fuerza de atracción gravitacional. Pues bien, algo semejante ocurre en el caso eléctrico; si una carga se encuentra cerca de otra, experimentará una fuerza eléctrica que puede ser de repulsión o atracción. Al efecto de oponerse a esta fuerza se le llama energía potencial eléctrica (E).

En el caso gravitacional, al aumentar la masa la energía potencial aumenta, en el caso eléctrico si aumenta la carga también aumenta la energía potencial eléctrica. Además, ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia por lo que sus energías potenciales son mayores mientras más cercanas estén entre sí las masas o las cargas.

Balanza de torsión

Hilo de metal muy fino y largo

Se acercaban objetos cargados, como ámbar

Esfera fija

La escala permite medir la torsión de la barra Barra con libertad para girar

2.40. La carga que se coloca en la parte superior se transfiere por el hilo hasta una pequeña esfera situada en una barra que puede girar. Si esta carga es negativa y se coloca también carga negativa en la otra punta, la esferita se aleja y se puede medir cuánto retrocede. Si las cargas cambian de signo, los movimientos muestran la magnitud de la repulsión o atracción.

Muchos aparatos funcionan con energía eléctrica, quizá tienes algunos de ellos en tu hogar, por ejemplo, una licuadora. Cuando se enciende la licuadora se le suministra energía eléctrica a través del enchufe. Ésta produce que las aspas comiencen a moverse, es decir, se transforma en energía mecánica. Sin embargo, no toda se logra convertir en movimiento de las aspas, ya que una parte se disipa como energía térmica debido al rozamiento. Esto mismo sucede con el molino de viento que se describe en las páginas 78 y 79. Existen otras formas para obtener energía eléctrica, como las pilas o baterías, que probablemente conoces, y hayas usado en algunos dispositivos en los que también aprovechas las transformaciones de la energía eléctrica, como la lámpara de mano o la radio. En el bloque 4 aprenderás más acerca de la electricidad, las leyes que la describen y serás capaz de construir algunos dispositivos eléctricos sencillos.

Con ciencia

1. Construye un electroscopio

Necesitas

1 frasco de vidrio (de mayonesa o similar), mediano, limpio y seco y con tapa 20 cm de alambre de cobre sin recubrimiento 1 pedazo de papel de aluminio delgado de 3 x 0.3 cm, como el de la envoltura de chocolate 1 pedazo de papel aluminio grueso de 2 x 10 cm (como el que se emplea en cocina) 1 trozo de plastilina de 2 cm aproximadamente 1 regla o bolígrafo de plástico Objetos pequeños de vidrio (cuentas, canicas, etc.)

Procedimiento

■ Dobla uno de los extremos del alambre en forma de “L” y retira el barniz con una lija. ■ Haz una perforación pequeña en la tapa del frasco, que permita la entrada del alambre de cobre. ■ Introduce el alambre de cobre en la tapa, de manera que el doblez en “L” quede dentro del frasco. Usa la plastilina para fijar el alambre en la tapa. ■ Recorta una pequeña tira del papel aluminio delgado, dóblala ligeramente a la mitad y cuélgala sobre el extremo “L” del alambre. ■ Introduce este dispositivo en el frasco y cierra la tapa. ■ Forra la punta del alambre de cobre con unas vueltas de papel aluminio grueso, como si fuera un hisopo. Cuida que quede lo más liso posible. Tu electroscopio está listo para que trabajes con él. ■ Acerca tu bolígrafo, peine o regla al extremo exterior del alambre de cobre y observa si ocurre algo

en la tirita de papel aluminio en el interior del frasco. ¿Notas algún cambio. ■ Ahora frota de nuevo el objeto de plástico y acércalo a tu electroscopio. ¿Hay algún cambio en la posición de la tirita de papel? ■ Frota el vidrio, ¿qué pasa con la tirita de papel? ■ Toca el extremo del alambre con tu dedo, ¿qué pasa? ■ Comenta con tus compañeros de equipo y explica lo que piensas que sucede. ■ Escribe tus conclusiones de la lección y compáralas con las conclusiones de la primera actividad (página 85).

Con ciencia

1. ¿Cómo cuidarte de los rayos?

Benjamín Franklin (1706-1790), fue un político, científico e inventor estadounidense. Sólo estudió hasta los diez años, tuvo que ayudar a su padre y después a su hermano en su imprenta. Participó en la lucha de independencia de las colonias británicas de América, y en la redacción de la Declaración de Independencia de Estados Unidos de América.

En 1752 realizó un experimento con una cometa, lo que le permitió demostrar que las nubes están cargadas de electricidad y que los rayos son descargas eléctricas. Construyó una cometa de alambre metálico que sujetó con un hilo de seda. En una tormenta acercó la mano a una llave que colgaba del hilo de seda y observó que saltaban chispas, lo cual demostraba la presencia de electricidad. Franklin se jugó la vida en este experimento, pero por fortuna no le sucedió nada y su descubrimiento le permitió inventar el pararrayos, entre muchos otros dispositivos.

Como el rayo tiende a producir descarga sobre cualquier objeto elevado, ya sea un edificio o un árbol, te daremos algunas medidas de seguridad: ■ No te refugies bajo un árbol aislado. Los árboles ubicados en bosques son menos peligrosos, porque aumentan las posibilidades de que la chispa eléctrica caiga lejos. ■ En caso de encontrarte en pleno campo, no corras para escapar de la tormenta. Es muy peligroso, si la tormenta eléctrica es muy intensa. Mejor tiéndete en forma horizontal sobre la tierra, para reducir al mínimo el riesgo de ser alcanzado por un rayo. ■ Si vives cerca de la ciudad, cierra puertas y ventanas. No camines sobre suelos húmedos o con calzado mojado.

2.41. Cuando las nubes se mueven en el cielo, se electrifican por rozamiento. La carga negativa así generada hace que se concentren cargas positivas en la superficie de la tierra, lo que produce una descarga eléctrica, que vemos como un relámpago. También provoca que se mueva violentamente el aire a su alrededor y se produzca el trueno.

En caso de encontrarte en una casa, desconecta los aparatos eléctricos y las antenas de televisión, ya que el rayo puede entrar por las conducciones de electricidad y TV, causando daños o la destrucción de estos objetos.

No te bañes durante una tormenta.

Es muy importante que sepas qué hacer en estos casos, e involucres a tu familia para que aprendan a estar prevenidos. Franklin dijo: “Dime y lo olvido, enséñame y lo recuerdo, involúcrame y lo aprendo”.

¿Qué aprendí en esta lección?

La fuerza entre dos cargas q 1 y q 2 separadas a una distancia d, se puede expresar como: F K q q d 1 2 2

El valor de la constante K en el vacío se da en unidades del Sistema Internacional: K 9 10  9 Nm C 2 2

Entre la fuerza gravitacional y la eléctrica existen semejanzas, como sus expresiones matemáticas y diferencias, como su origen y su magnitud.