Carga y corriente eléctrica

Física. Electricidad. Fuerzas de atracción y repulsión. Electrones. Fenómenos eléctricos. Polarización. Culombio. Ley de Coulomb. Diferencia de potencial. Voltaje. Conductores. Resistencia. Intensidad. Circuitos

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1. Señala situaciones donde se puede encontrar la electricidad.

  • Cuando se prende una ampolleta: Se produce al abrir un interruptor, la corriente eléctrica pasa a través de los hilos, o sea, la circulación de electrones por medio de un hilo conductor. Entonces, este hilo conductor está formado por átomos cuyos electrones se pasan de unos a otros, transmitiéndose la corriente eléctrica.

  • Rayo, producido durante una tormenta: Su origen tiene que ver con el frotamiento mutuo de sustancias de distinta naturaleza.

2. ¿Cuál es el origen de las cargas eléctricas?, ¿Qué fuerzas se generan entre los protones y los electrones?

Surgen a partir de los átomos, y específicamente de las partículas que los componen, que pueden ser: electrones, protones o neutrones.

Entre los protones y electrones pueden generar fuerzas de atracción entre cargas iguales (protón con protón, o, electrón con electrón), y fuerzas de repulsión entre cargas diferentes (protón con electrón).

3. ¿Cuál es la importancia de Ernest Rutherford y de Niels Bohr?

Ambos postularon un modelo atómico simple a comienzos del siglo XX. Decía que el átomo es un núcleo con protones (carga eléctrica positiva), rodeados de electrones (carga eléctrica negativa). Los protones atraen a los electrones, y estos se repelen unos a otros. estos comportamientos de repulsión y atracción se atribuyen a la propiedad de carga.

4. Fundamenta en qué situaciones la electricidad estática puede ser una amenaza.

Cuando los "mozos de guerra" llevaban pólvora negra a los cañones, debían hacerlo descalzos, puesto que de esa manera no habría acumulación de carga estática, la cual, podría generar una chispa y encender la pólvora.

En empresas de alta tecnología también se evita la acumulación de estática, con el objetivo de evitar daños a circuitos que son muy delicados. Los técnicos hacen uso de ropa de telas especiales con cables de conexión a tierra entre las mangas y los calcetines.

5. ¿Por qué los átomos son neutros eléctricamente?, ¿Qué ocurre un electrón a un átomo neutro?

Un átomo es neutro cuando la carga eléctrica positiva compensa la carga negativa, debido a que el número de electrones es igual al número de protones.

Si se le quita un electrón a un átomo neutro, este deja de serlo, ya que el átomo tiene un protón (carga positiva) de más, respecto a los electrones (carga negativa), es decir, el átomo está cargado positivamente.

6. ¿Qué ocurre si frotas una barra de vidrio o de plástico con un trozo de seda?. Fundamenta.

Si se frota una barra de vidrio o de plástico con un trozo de seda, este se carga positivamente. La seda tiene más afinidad por los electrones que la barra de vidrio o de plástico. Con el frotamiento llevado a cabo, los electrones se desprenden de la barra y son traspasados a la seda.

A partir de esto, de deduce que todo objeto con un número de electrones diferente al de protones posee carga eléctrica. Con más electrones que protones está cargado negativamente, y con más protones que electrones está cargado positivamente.

7. Explique los siguientes fenómenos eléctricos:

a) carga por contacto: se conoce como el método de carga en el que, los electrones son transferidos de un material a otro por simple contacto sin frotamiento, de esa forma, se transfiere parte de la carga.

b) carga por fricción: es el método de carga en el que se transfieren electrones de un material a otro, por que se rozan o friccionan.

c) carga por inducción: es el método de carga en el que se usa un dispositivo llamado electroscopio, el cual esta destinado a poner de manifiesto la presencia de cargas eléctricas en los cuerpo. Consta de una varilla conductora en cuyo extremo inferior se hayan dos láminas delgadas de metal, colgadas y sujetas por su parte superior; por el otro extremo la varilla termina en una bola del mismo metal. Este conjunto está protegido por un recipiente del que sale al exterior la bola metálica.

Cuando se acerca un cuerpo electrizado a la bola del electroscopio en ella se inducen cargas de sentido opuesto a las del cuerpo y, puesto que el conjunto de bola, varilla y láminas debe quedar neutro eléctricamente, en las láminas del extremo inferior aparecerán cargas del signo opuesto a las de la bola y, por tanto, iguales a las del cuerpo en observación.

Las cargas del mismo signo se repelen y, por este motivo, ya que las dos láminas del electroscopio están igualmente cargadas, se repelerán separándose más o menos una de otra según la cantidad de electricidad inducida por el cuerpo en estudio.

Entonces, carga por inducción es cuando, la presencia de una carga cercana hace que los electrones se junten o dispersen, aun sin contacto físico.

8. Benjamín Franklin (1706-1799) concluyó que al frotar dos cuerpos se electrizan adquiriendo una "carga eléctrica". Se llamó carga eléctrica positiva a la que adquiere un vidrio frotado con una seda y carga eléctrica negativa a la que adquiere un trozo de caucho al ser frotado con una lana. Explica los procesos de carga por inducción que ocurren durante una tormenta eléctrica. Relativo a este fenómeno ¿cual es la importancia de Benjamín Franklin?.

La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie de la tierra.

Benjamín Franklin demostró esto, a partir de su experimento de cometa o volantín, el cual, le permitió comprobar que los rayos son un fenómeno eléctrico. Gran parte de los rayos son descargas eléctricas entre dos regiones de una nube con cargas contrarias. Los más conocidos para nosotros son descargas eléctricas entre las nubes y el suelo, de carga opuesta.

Al construir un pararrayos, Franklin descubrió que, la carga fluye fácilmente hacia o desde objetos puntiagudos. Al colocar el pararrayos en lo alto de una estructura conectada a tierra, la punta del pararrayos recoge electrones del aire, evitando que se acumule demasiada carga positiva en el edificio por inducción. Si no existiera una "fuga" continua de carga se produciría una descarga repentina entre la nube y el edificio. Si el flujo de carga no es suficiente y cae un rayo, éste puede ser atraído por el pararrayos que conduce la carga a tierra y dejando que la estructura no salga dañada. Todo esto quiere decir que el pararrayos tiene como objetivo impedir una descarga eléctrica.

9. ¿Cuándo ocurre la polarización de la carga en un cuerpo?, ¿por qué la molécula de agua es un dipolo eléctrico permanente?.

La polarización de la carga sucede cuando, por inducción, un lado de la molécula o átomo se hace ligeramente más positivo. Cuando se acerca una carga negativa externa por la izquierda, lasa cargas del átomo neutro o molécula se reacomodan de tal manera que el lado izquierdo es ligeramente más positivo y el derecho, ligeramente negativo. Todos los átomos o moléculas próximos a una superficie se polarizan eléctricamente.

La molécula de agua es un dipolo eléctrico, porque está eléctricamente polarizada en su estado normal, entonces, entonces, la distribución de la carga eléctrica no es uniforme. Existe más carga negativa de un lado de la molécula que del otro.

10.Thales de Mileto (580-546 a. C.) observó que al frotar un pedazo de ámbar adquiría la propiedad de atraer cuerpos livianos. Utilizó la palabra electricidad para referirse a esta propiedad. Al comparar el comportamiento de diferentes materiales, formuló un listado que se conoce como secuencia triboeléctrica (tribo = fricción). Los materiales de la parte superior tienden a perder electrones, los de la parte inferior tienden a ganarlos:

Asbesto.

Piel de conejo-cabello-lana.

Vidrio.

Mica.

Celuloides-polímeros-plásticos-seda.

Caucho natural-gomas.

¿Qué carga adquieren un globo, una peineta y un lápiz cuando los frotas en tu cabello, acerca el globo a una muralla, y el lápiz a un trozo de papel? Dibuja lo que observas.

11. ¿Por qué la unidad de carga eléctrica en el Sistema Internacional es el Culombio?, ¿Qué es el Culombio?

Porque es en honor a Charles Agustín de Coulomb (1736-1806), físico francés pionero en la teoría eléctrica, quien descubrió en el siglo XVIII la relación entre la fuerza eléctrica de atracción o de repulsión entre dos objetos cualquiera que tengan carga neta, y la disminución con el inverso del cuadrado de la distancia entre dos objetos, que es más conocida como Ley de Coulomb. También trabajó como ingeniero dirigiendo la construcción del fuerte Borbón en la Martinica. En 1781 ingresó en la Academia Francesa, y en 1804 fue nombrado inspector general de la Universidad francesa.

Culombio: Unidad de carga eléctrica, se define como la carga que ha asado durante un segundo por un conductor por el que circula una corriente eléctrica de un amperio. Se abrevia con letra C.

12. ¿Cuál es la carga eléctrica de un electrón, de un protón?, ¿De un neutrón?

Electrón: negativa

Protón: positiva

Neutrón: neutra

13. ¿Por qué el microondas no funciona si el alimento no contiene agua?

Porque las moléculas de H2O son vigorosamente osciladas por las microondas, produciendo la cocción de los alimentos a partir de una “fricción cinética”, que incrementa la temperatura del cuerpo que posee agua. Al no existir agua las microondas no cumplirían con su respectiva función.

14. ¿Cuál es la importancia de la electricidad en el estudio de la Química?

Porque es necesario entender que las fuerzas de enlace químico que mantienen unidos los átomos en las moléculas, son fuerzas eléctricas que se ejercen en regiones pequeñas, donde el equilibrio entre las fuerzas de atracción y las de repulsión no es perfecto.

Cabe decir que, muchos químicos hacen uso de la electroquímica, la cual, ocupa energía eléctrica y cambios químicos. Esto va muy ligado al proceso de electrólisis, el cual es utilizado para descomponer y separar las moléculas de un líquido por acción de una corriente eléctrica. También es llevado a cabo al recargar la batería de un automóvil, y en la producción de metales a partir de minerales (Ej. Aluminio).

15. Caracterice:

  • Fuerzas por contacto: Se relaciona con fenomenológicas.

  • Fuerzas a distancia: Los cuerpos que ejercen esta fuerza no tienen la necesidad de contactarse.

  • Fuerza de gravedad: Es la fuerza que ejercen los cuerpos en virtud de la masa que poseen. Fue descubierta por Newton y publicada su ley el año 1686. Se traduce en: “Toda partícula de materia del Universo atrae a cualquier otra partícula con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las masas de ambas partículas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”.

  • Fuerza eléctrica: Depende de las cargas eléctricas.

  • Fuerza magnética: Depende de las cargas magnéticas (cuerpos que están interaccionando).

  • Fuerza eléctrica de repulsión: Sucede cuando en un momento dado, los electrones negativos de un átomo están muy cercanos a los electrones del átomo vecino.

  • Fuerza eléctrica de atracción: Se hace presente cuando en un determinado momento, los electrones negativos de un átomo están más próximos a los protones positivos de u n átomo vecino que a la posición promedio de los electrones del vecino.

  • 16. Escriba las ecuaciones que corresponden a:

    • Voltaje Eléctrico: V=I/R

    • Intensidad de la corriente: I=V/R

    • Resistencia Eléctrica: R=VxI

    • Potencia Eléctrica: P=VxI

    17. Defina cada uno de los conceptos anteriores y sus unidades respectivas.

    • Voltaje Eléctrico: diferencia de potencial. Se mide en voltios.

    • Intensidad de la corriente: es la cantidad de carga eléctrica que atraviesa por una sección transversal del conductor en la unidad de tiempo. Es decir, la intensidad es la razón entre la carga y el tiempo que demora en pasar por una sección transversal del conductor. I=q/t.

    • Resistencia Eléctrica: son porciones de conductor de resistencia conocida que se puede montar en los circuitos eléctricos. Su unidad de medición en el Sistema Internacional es el ohmio.

    • Potencia Eléctrica: es la energía transportada por la corriente en la unidad de tiempo. Su unidad de medición es en watts.

    18. Charles Agustín Coulomb (1736-1806) propuso en 1785 que la interacción eléctrica era del mismo tipo que la gravitacional, solo que en vez de masas había cargas. Así la fuerza eléctrica propuesta por Coulomb es F=K en donde la constante de proporcionalidad en el vacío es K=9x10 .

    Si el producto de es F de repulsión. Si el producto de es F de atracción. Describa una situación que demuestre que “cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen”. Aplique la ecuación de la Ley de Coulomb.

    19. Aplique la Ley de Coulomb para completar el siguiente cuadro:

    FUERZA F (N)

    CARACTERÍSTICA

    q (C)

    Q (C)

    d (m)

    2x10

    -3x10

    3

    0,4

    repulsiva

    1,5x10

    2,3x10

    3,5

    -0,4x10

    -2x10

    -2,4

    Atractiva

    4x10

    2,3

    Repulsiva

    0,9

    1,6x10

    -1,6x10

    1

    20. ¿Qué entiendes por diferencia de potencial o voltaje V?, ¿Por qué a la unidad de voltaje se le denomina Voltio?, ¿Cuál es la equivalencia de un Voltio?.

    La diferencia de potencial o voltaje, es la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre dos puntos permite que la carga fluya entre los extremos de un conductor. Si no hay diferencia de potencial, no hay flujo de carga por el conductor. Igual proporciona energía a las cargas para que se muevan.

    Su nombre es ese en honor al físico italiano Alessandro Volta (1745 - 1827).

    La equivalencia del voltio es, un joule partido por coulombio.

    21. ¿Qué entiendes por electrones libres o electrones de valencia?, ¿Cuál es su importancia en los conductores?

    Son aquellos electrones que se mueven de manera libre en los conductores sólidos al transportar la carga por el circuito. También se conocen como electrones de conducción, e ahí su importancia en los conductores.

    22. ¿Qué entiende por intensidad de corriente eléctrica, I=Q/ t?, ¿Qué es un ampere, mili ampere, micro ampere?

    Intensidad de corriente eléctrica es la cantidad de carga eléctrica que atraviesa por una sección transversal del conductor en la unidad de tiempo. Es decir, la intensidad es la razón entre la carga y el tiempo que demora en pasar por una sección transversal del conductor. I=q/t.

    Ampere, es una unidad de corriente eléctrica. Se conoce como la intensidad de una corriente eléctrica cuando pasa la carga de un Coulomb en un segundo por una sección transversal del conductor. Su símbolo es A. Equivale a 1 coulomb/1 seg.

    Mili ampere, es una milésima del ampere. Su símbolo es mA.

    Micro ampere, es la millonésima del ampere.

    23. ¿Qué significa que por un conductor fluya una corriente de 3 A?

    Significa por ejemplo que si un cable transporta una corriente de 3 amperios, por toda la sección transversal del cable pasan 3 coulombios de carga por segundo.

    24. ¿Cuántos electrones atraviesan la sección transversal de un conductor en un segundo si la intensidad de corriente es de 4 A?

    25.00 trillones de electrones.

    25. Calcule la intensidad de la corriente eléctrica en los siguientes casos:

    Intensidad (A)

    Q (C)

    electrones

    t Tiempo (s)

    26. ¿Qué entiendes por fuente de voltaje?

    Se conoce como la diferencia de potencial que crea todo dispositivo. Un ejemplo claro, son las pilas secas, pilas húmedas y generadores, ya que son fuentes de voltaje que suministran la energía que permite que las cargas de desplacen a través de un circuito. La energía potencial está disponible en los terminales de la pila o generador.

    27. ¿Cuál es la diferencia entre conductores y aisladores (dieléctricos)?

    Los conductores son los materiales que permiten que los electrones de un átomo se desplacen libremente ya que no están anclados al núcleo, o sea, los electrones están “sueltos”. En cambio, los aislantes son los materiales que no dejan que los electrones de un átomo se desplacen libremente.

    28. ¿Qué entiendes por generadores eléctricos?, ¿Resistividad “p”?, Y ¿Resistencia eléctrica?

    Generadores Eléctricos: Son fuentes de voltaje que suministran la energía que permite que las cargas se deslacen a través de un circuito. La energía potencial eléctrica está disponible en sus terminales.

    Resistencia eléctrica: son porciones de conductor de resistencia conocida que se puede montar en los circuitos eléctricos. Su unidad de medición en el Sistema Internacional es el ohmio, definido como la resistencia de aquel conductor entre cuyos extremos debe establecerse una diferencia de potencial de un voltio para que por él circule una corriente de un amperio.

    29. ¿Cuáles son los tres factores que determinan la resistencia de un alambre?. Fundamenta aplicando la relación ?

    La resistencia de un alambre depende de cuan bien conduzca la electricidad, o sea, de la conductividad del material del que está hecho, al igual que de su espesor y de la longitud del alambre. Cabe decir, que la temperatura también influye en la resistencia.

    En alambres más gruesos la resistencia es menor a los delgados. Los alambres largos oponen mayor resistencia en comparación con los cortos. Al agitarse mayormente los átomos dentro de un conductor, más es la resistencia que el mismo opone al flujo de carga.

    30. Georg Simon Ohm (1787-1854) físico alemán en 1828 demostró experimentalmente la relación entre la I, el V y la R siendo R=V/I. Explique la Ley de Ohm y complete el recuadro y grafique V/I.

    Es la ley básica del flujo de la corriente. Lleva ese nombre en honor a su descubridor, el físico alemán George Ohm.

    Según la ley de Ohm, la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Se aplica a todos los circuitos eléctricos, tanto a los de corriente continua como a los de corriente alterna, aunque para el análisis de circuitos complejos y circuitos de corriente alterna deben emplearse principios adicionales que incluyen inductancias y capacitancias.

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