Electricidad y Magnetismo

 

Semana  27  (31 de agosto a 04 de septiembre)

Electricidad y magnetismo  dos conceptos de un mismo fenómeno

 Todos estamos familiarizados con los efectos de la electricidad estática, algunas personas son más susceptibles que otras a su influencia. Bajo determinadas condiciones es posible percibir el efecto electroestático en eventos cotidianos como cerrar la puerta de manija metálica en nuestro baño; al dar la mano a otra persona; creamos electricidad estática si frotamos un bolígrafo con nuestra ropa, para atraer pequeños trozos de papel; lo mismo podemos decir cuando nos quitamos la ropa al final de una jornada de trabajo, etc.  Si frotamos dos objetos entre sí, algunos electrones pasan de unos átomos a otros, es lo que se conoce como Efecto Triboeléctrico. Los átomos que ganan nuevos electrones tendrán entonces una carga negativa, en cambio los que los pierden obtendrán una carga positiva. Cuando esto sucede estamos contemplando la electricidad estática.

Dice la sabiduría popular que en las relaciones los polos opuestos se atraen mientras que los polos iguales se repelen. Lo mismo sucede con las cargas eléctricas y en consecuencia con nuestro pelo. Al quitarnos una prenda, un sombrero de lana o al frotar un globo en nuestra cabeza parece que cada uno de nuestros pelos cobran vida propia y decida querer separarse del resto. En realidad, lo único que ha sucedido es que con estas acciones se ha producido una transmisión de electrones y sus efectos suelen ser por lo menos vistosos sino divertidos. Durante una tormenta si preguntamos ¿por qué se producen los rayos? posiblemente nos respondan, “el rayo se produce cuando chocan las nubes” y la realidad no es tan diferente. Los rayos son fenómenos debidos a la descarga sobre el suelo de la electricidad estática que se ha generado en las nubes como consecuencia del rozamiento de los cristales de agua que contienen. ¿Calambres al bajar del coche? Existen dos causas: la primera y menos frecuente es que el coche se cargue con electricidad estática por el rozamiento producido por el aire sobre la carrocería; otra causa mucho más habitual es por el roce de nuestra ropa con el tapizado de los asientos, para evitar esto se utilizan las fundas formadas por bolas de madera

Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos en ellos, el núcleo positivo está rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas. Una manera de visualizar la carga electrostática es al manipular una esfera de plasma en la que es posible visualizar sus efectos

El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas, porque ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad.

+	Vidrio®	Cabello humano®	Nylon®	Lana®	Piel®	Aluminio¯
Goma¯	¬Níquel	¬cobre	¬Acero	¬Algodón	¬papel	Poliéster¬
Acrílico  ®	Poliuretano ®	teflón®	Cuarzo®	Ebonita®	Parafina	-

 

Al frotar un bolígrafo con nuestra tela se observa que atrae trocitos de papel. Si se frotan diversos materiales, vidrio con seda, cuero, entre otros, y se emplean bolitas de sauco electrizadas se puede comparar las dos clases de cargas y sus interacciones. De estos experimentos se concluye que.

La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen. 

Semana 28.  Características de la electricidad

Las palabras electricidad y magnetismo, tienen su origen del griego; la palabra eléctrico que proviene de elektron, que significa ámbar. Y la palabra magnético que proviene de Magnesia, nombre de la provincia griega donde por primera vez se encontró la magnetita. Como ya de dijo la electricidad y el magnetismo, son dos aspectos, claramente diferenciados, pero a la vez, de dos aspectos que parten de un mismo fenómeno físico que los interrelaciona. El magnetismo puede definirse como aquel fenómeno físico en el que los determinados materiales que entran en juego generan fuerzas atrayentes o repulsivas con relación a los otros materiales con los cuales interactúan. Cuando se habla de materiales con propiedades magnéticas uno puede referirse a muy distintos tipos de materiales, concreta y muy especialmente el factor magnético resulta muy destacable en materiales como cobalto (con las aleaciones además que el mismo pueda tener), el hierro o el níquel.  De todo lo anterior también puede, y debe, inferirse que la estructura del material es la que determina el comportamiento magnético del mismo, por supuesto la configuración electrónica es el claro factor determinante del mismo. La electricidad y es un fenómeno físico que encuentra su origen en las cargas eléctricas, la energía de la electricidad se pone de manifiesto de distintas maneras, sistemas mecánicos, químicos, luminosos, térmicos, entre muchos otros.  Cuando se habla de electricidad se está hablando del flujo de electrones y su observación puede resultar tanto en procesos naturales atmosféricos como, por ejemplo, es el caso de los rayos, así como en sistemas biológicos como es el funcionamiento del sistema nervioso. 

Del electromagnetismo podemos decir que es aquella teoría física en la que resultan unificados los conceptos de electricidad y magnetismo, tal y como ya se ha dicho ello se sustenta en los conceptos de Maxwell, si bien los fundamentos son los establecidos por Faraday.

La circulación de cargas puede ser continua o alterna, en general la intensidad de la corriente alterna permite valores mas altos (Voltaje). Los transformadores o rectificadores, permiten transformar la corriente alterna en continua 

Breve reseña histórica.

Desde tiempos inmemoriales el hombre se dio cuenta de que después de frotar con paño un tipo de resina llamada ámbar, ésta adquiría la capacidad de atraer algunos objetos ligeros, como trozos de papel. La historia registra a Tales de Mileto, filósofo y matemático griego, que vivió hace unos 2600 años, como el primero que hizo experimentos de esta naturaleza, aunque es bastante probable que desde antes se conociese este tipo de fenómeno. Hacia principios del siglo XVIII se inició la investigación detallada de los fenómenos eléctricos. Entre 1729 y 1736 dos científicos ingleses, Stephen Gray (1696-1736) y Jean Desaguliers (1683-1744) dieron a conocer los resultados de una serie de experimentos eléctricos muy cuidadosos. Encontraron que, si unían por medio de un alambre metálico un tubo de vidrio previamente frotado con un trozo de corcho, éste se electrificaba. Comprobaron que el corcho se electrificaba ya que al acercarle trozos de papel éstos eran atraídos por él. Este fenómeno persistía aun si el vidrio y el corcho se separaban a distancias de 300 metros. Si en lugar de efectuar la unión con un alambre metálico empleaban un hilo de seda, el corcho no se electrificaba. Además, descubrieron que, si la línea de transmisión hacía contacto con el suelo, o sea con la tierra, el corcho dejaba de electrificarse. Con todos estos experimentos llegaron a la conclusión de que la electrificación era un efecto que se presentaba en la superficie de los cuerpos, en donde aparecía lo que llamaron una "virtud" o "fluido" eléctrico al que en la actualidad se le llama carga eléctrica. Encontraron que la carga eléctrica podía moverse libremente de un cuerpo a otro a través de ciertos materiales que llamaron conductores (el cuerpo humano, los metales, el aire húmedo, etc.). También se determinó la existencia de materiales que no conducen electricidad, a los que se llama aisladores o no-conductores (la madera, la seda, la cerámica, etcétera).

Un científico francés, François du Fay (1698-1739), hizo otro tipo de experimentos que reportó entre 1733 y 1734. Frotó con tela de seda dos tubos de vidrio iguales. Al acercar los tubos vio que siempre se repelían. Así concluyó que dos materiales idénticos se repelan cuando se electrifican en formas idénticas. Como cada uno de los tubos adquiere el mismo tipo de carga se puede afirmar que cargas iguales se repelen.  El mismo François du Fay hizo muchos otros experimentos con diferentes materiales y llegó a la conclusión de que existen dos tipos de electricidad; a una la llamó vitrosa (la que aparece cuando se frota con seda el vidrio) y a la otra resinosa (la que aparece cuando se frota al hule con piel).

Durante la siguiente década, Benjamín Franklin (1706-1790) realizó estas mismas observaciones en Estados Unidos, sin conocer los trabajos del francés. Según él, el vidrio electrificado había adquirido un exceso de fluido (carga) eléctrico, y le llamó a este estado positivo. Al estado de la seda con la que frotó el vidrio lo llamó negativo, pues consideraba que había tenido una deficiencia de fluido (carga) eléctrico. Esta terminología de Franklin es la que se utiliza hasta hoy en día, aunque no se acepten las ideas con que la concibió este científico.  No fue sino hasta fines del siglo XVIII, en 1785, que el ingeniero militar francés Charles Auguste Coulomb (l736-1806) pudo medir con bastante precisión las características de las fuerzas entre partículas eléctricamente cargadas. Para ello utilizó un péndulo de torsión.  

En el año de 1663, Otto von Guericke (1602-1686) de Magdeburgo, Alemania, construyó el primer generador de electricidad, este aparato producía cargas eléctricas por medio de fricción. Sobre un armazón de madera Von Guericke montó una esfera de azufre sobre un eje. Mientras con una mano hacía girar la esfera, con la otra la presionaba. Así obtenía cargas eléctricas sobre la esfera, que atraían diversos objetos cercanos. El funcionamiento de esta máquina estaba basado en el experimento arriba descrito en que se frotaba una sustancia con otra. El famoso científico inglés Isaac Newton (1642-1727) propuso usar una esfera de vidrio en lugar de una de azufre. Al transcurrir los años se diseñaron diferentes variantes, gracias a lo cual se construyeron máquinas cada vez con mayor capacidad de producir carga eléctrica.

Así, en las primeras décadas del siglo XVIII ya existían máquinas que producían cargas eléctricas por medio de fricción. Funcionaban esencialmente a base de discos que se hacían girar por medio de manivelas. Al girar se friccionaban con otra superficie y se cargaban, de la misma forma en que un trozo de vidrio se carga al frotarlo con un paño. Estas máquinas producían cantidades respetables de carga eléctrica y al acercarlas a otras superficies se producían chispas. Era muy frecuente encontrar estas máquinas en salones de juegos, pues hacían que los cabellos de las señoras se pusieran de punta al ser atraídos por las cargas generadas. El 11 de octubre de 1745 el físico holandés Pieter van Musschenbroek. en Leiden, Holanda, construyó el primer dispositivo para almacenar cargas eléctricas. Se trataba de una botella de vidrio que estaba recubierta, tanto en sus paredes interiores como exteriores, de una capa muy delgada de estaño. La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico que permite almacenar cargas eléctricas. Históricamente la botella de Leyden fue el primer tipo de condensador, una varilla metálica y hojas de estaño conforman la armadura interna. El nombre de condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban ésta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado. En esta famosa botella de Leiden se pudieron almacenar considerables cantidades de carga eléctrica, producidas por las máquinas de fricción. Posteriormente se diseñaron otros dispositivos más prácticos y cómodos para almacenar carga eléctrica, a los cuales se llamó condensadores.

Hacia mediados del siglo XVIII, mientras efectuaba algunos experimentos, Benjamín Franklin se dio cuenta de que durante las tormentas había efectos eléctricos en la atmósfera, y descubrió que los rayos eran descargas eléctricas que partían de las nubes. Franklin logró juntar cargas eléctricas de la atmósfera por medio de varillas. A la larga, esto dio lugar a la invención del pararrayos, las cargas eléctricas del rayo son atraídas a la varilla y conducidas a la tierra. Con esto se evita que un rayo caiga sobre una casa, pues es conducido a tierra sin causar ningún daño. Posiblemente ésta fue la primera aplicación práctica de la investigación científica de la electricidad.

Por otro lado, hacia la última parte del siglo XVIII un gran número de personas empleó animales para estudiar las descargas eléctricas y utilizó como fuentes máquinas generadoras y botellas de Leyden. Una de estas personas fue Luigi Galvani (1737-1798), profesor de anatomía en la Universidad de Bolonia, Italia. Sus discípulos se dieron cuenta de que cuando se sacaban chispas de un generador y se tocaban simultáneamente las patas de una rana con un bisturí, éstas se contraían. Galvani estudió con más detalle este curioso fenómeno. En primer lugar, unió una extremidad de la rana a un pararrayos y la otra la fijó a tierra por medio de un alambre metálico. Descubrió que los músculos se estremecían cuando había tormenta, pues las cargas que recogía el pararrayos se transportaban a través del músculo hasta la tierra. De sus experiencias anteriores sabía que esta contracción ocurría solamente cuando una carga eléctrica pasaba por la pata, erróneamente,  llegó a la conclusión de que si se formaba un circuito cerrado entre dos metales que pasara por la pata, se generaba una corriente eléctrica que circulaba por el circuito, Galvani consideró, que la fuente de la electricidad estaba en lo que llamó "electricidad animal". y se dedicó a hacer experimentos con diferentes animales creyendo que había descubierto y confirmado la veracidad de la electricidad animal. Con el tiempo se comprobó que sus hipótesis no eran correctas. Alejandro Volta (1745-1827), profesor de la Universidad de Pavia, Italia, se enteró de los experimentos de Galvani y los volvió a hacer, usando lo que llamó ranas "galvanizadas". Sin embargo, no aceptó la explicación de Galvani. Volta se dio cuenta de que para lograr el efecto descubierto por Galvani se necesitaba cobre, hierro y el líquido del tejido muscular. Hizo una serie de experimentos muy cuidadosos, utilizando alambres de diferentes materiales; así descubrió que si usaba estaño y cobre lograba una corriente relativamente fuerte, mientras que si usaba hierro y plata el efecto era poco intenso. Siguiendo esta línea de pensamiento dejó de usar ranas y puso su propia lengua entre los metales, logrando el mismo efecto; en seguida probó con diferentes líquidos entre los metales y siempre encontró el mismo efecto. El caso más satisfactorio fue cuando usó placas de zinc y cobre en un ácido líquido. De esta manera llegó a la conclusión de que el efecto descubierto por Galvani no tenía nada que ver con la "electricidad animal" sino que se debía a una acción química entre el líquido, llamado electrolito, y los dos metales. Es así como Volta construyó lo que posteriormente se llamó una pila voltaica, que fue el primer dispositivo electroquímico que sirvió como fuente de electricidad.

Semana 27: Utilizando materiales cotidianos realiza una simulación del efecto triboleléctrico, describe y dibuja, en tu cuaderno las observaciones de dicha experiencia; esta actividad no es para subir a la plataforma.

Semana 28: Para subir a la plataforma: desarrolla el crucigrama. Recuerde que debe aparecer en el cuaderno, indicando: Fecha, Número de semana y titulo de la lección de estudio.