2. ¡Ojo con las cargas!
Esta secuencia invita a las y los estudiantes a experimentar e indagar sobre el magnetismo y la electrostática e interpretar los fenómenos en términos de fuerzas.
Creado: 26 enero, 2022 | Actualizado: 26 de junio, 2023
Momentos de esta propuesta:
- 1¿Qué son los imanes?
- 2¡Ojo con las cargas!
¡Ojo con las cargas!
El estudio de las ciencias naturales como la Física, la Química, la Biología y las Ciencias de la Tierra ayuda a entender el mundo que nos rodea, desde lo más pequeño (microscópico) a lo más grande (macroscópico). Conocer cómo están formadas las cosas, cómo se comportan y de qué manera se relacionan entre sí, nos permite analizar procesos y fenómenos que suceden y hacer uso y aplicación de los mismos para facilitar y simplificar la vida cotidiana.
Se propone, a continuación, un viaje hacia el interior de la materia para explicar aquellos fenómenos en los que se involucran las cargas eléctricas.
Todo lo que nos rodea está formado por materia: la mesa, los alimentos, las plantas del jardín, tus mascotas y hasta vos, tu cuerpo. Esta materia que conforma los diferentes objetos, e incluso los seres vivos, presenta ciertas propiedades en común, una de ellas es que contiene carga eléctrica. Para percibirlas hay que hacer un trabajo o bien aplicarle energía. Seguramente las cargas te resulten familiares ya que están asociadas a un fenómeno que usamos a diario: la electricidad.
Por medio de las siguientes actividades vas a poder entender esta propiedad y sus características.
✍ Actividad 1
Para poder hablar de cargas y de materia, a continuación te presentamos un texto que refiere a la constitución microscópica de la misma: los átomos.
Materia y átomos
Sillas, mesas, ventanas, cables, ropa, plantas, lámparas, teléfonos, papeles… Cada una de estas cosas tiene características propias, pero también son iguales en algo. Todo lo que nos rodea (y hasta nosotras y nosotros mismos) está hecho de átomos.
Pasaron muchos años hasta que los átomos fueron reconocidos por el conjunto de la comunidad científica. Los átomos no podían ser vistos: Dalton los imaginaba como diminutas esferas macizas. En el modelo actual, el átomo no se considera indivisible. Pudo probarse que está constituido por subpartículas: neutrones, protones y electrones. Los protones y los neutrones son mucho más grandes que los electrones. Los protones tienen carga positiva, los electrones tienen carga negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica. Además, se sabe que los neutrones y los protones forman un núcleo atómico; y que los electrones se mueven en zonas externas al núcleo llamadas orbitales (Figura 2).
Las partículas que forman a los átomos les dan sus propiedades. Cuando un átomo está en estado estable tiene igual cantidad de protones que de electrones. De esta forma, sus cargas quedan neutralizadas. Los átomos pueden perder, ganar o compartir electrones. Algunos tienen tendencias bien definidas: por ejemplo, los átomos de los metales tienden a perder uno o más electrones, lo que les otorga propiedades metálicas. Otros átomos, por ejemplo los del flúor, tienden a capturar electrones de otros átomos.
Texto e imagen tomados de Ministerio de Educación de la Nación (2020) Átomos y elementos: una historia antigua. Cuaderno 5. Seguimos Educando. Educación Secundaria. Ciclo Básico. Recuperado de Continuemos Estudiando en noviembre de 2021.
A partir de la lectura anterior, te proponemos:
a. Marcá o transcribí en tu carpeta las palabras que no entiendas y consultá con alguien de tu familia, vecinas o vecinos sobre su significado.
b. Nombrá 10 cosas o elementos que tengas a tu alrededor que están formados por materia.
c. ¿Cuáles son las partículas que forman los átomos y qué cargas tienen?
Cotidianamente se pueden experimentar fenómenos que implican la presencia de cargas, por ejemplo cuando cerrás la puerta de un auto y sentís un chispazo.
✍ Actividad 2
¿Qué otros fenómenos que se dan a diario involucran a las cargas eléctricas? Explicalos en tu carpeta.
En el transcurso de las próximas actividades vas a poder repensar esas experiencias personales en cuanto a las cargas eléctricas y analizar por qué suceden.
✍ Actividad 3
En el siguiente gráfico podés observar una situación en la que se produce una representación de cargas.
Vector creado por brgfx tomado de Freepik.
a. ¿Cuántos tipos de cargas podés ver en la imagen?
b. ¿Cuáles son?
c. ¿Dónde se encuentran cada una de esas cargas?
En la materia se pueden detectar dos tipos de carga que, por convención, se las llamó positivas y negativas y que –como viste antes– están presentes en los átomos.
✍ Actividad 4
Al igual que sucedía con el imán, en este caso los opuestos se atraen. Es por eso que una carga positiva con una negativa se atraen y las cargas que son iguales se rechazan. Por la naturaleza de las cargas se origina una fuerza llamada fuerza electrostática.
A continuación te proponemos analizar la siguiente experiencia:
Si se frota una varilla de vidrio con un pañuelo de seda y se la acerca a pequeños trocitos de papel, éstos serán atraídos y se pegarán al vidrio.
Imagen tomada del video “Fuerza entre cargas electrostáticas”. Recuperado del Portal EducAR en diciembre de 2021.
a. ¿Por qué sucede? Explicalo en tu carpeta.
Un átomo está en estado neutro ya que tiene el mismo número de protones o cargas positivas y de electrones o cargas negativas, sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar cargado negativamente o bien puede perderlos y cargarse positivamente.
La siguiente imagen representa la estructura de un átomo. En el centro (el núcleo) se encuentran los protones con cargas positiva (+) y los neutrones (o). En los orbitales se encuentran los electrones con carga negativa (-).
Imagen tomada de Pixabay.
Esto sucede con la vara que, al frotarse con el pañuelo, se electriza; es decir transfiere electrones a la seda con un exceso de cargas positivas y la seda queda cargada negativamente. Esto genera una atracción entre las cargas negativas y las positivas.
Ahora se frotan dos varas de vidrio con un pañuelo de seda y se intenta unirlas. Se podrá ver que éstas se repelen entre sí al estar ambos objetos cargados por el mismo signo; la fuerza será repulsiva. Esta fuerza no se hace presente entre objetos que no tienen carga o tienen la misma cantidad de carga negativa y positiva por lo que la suma total es cero.
Imágenes tomadas del video “Fuerza entre cargas electrostáticas”. Recuperado del Portal EducAR en diciembre de 2021.
✍ Actividad 5
a. Teniendo en cuenta la experiencia analizada anteriormente, indicá si las siguientes cargas se atraen o repelen y explicá por qué en cada caso.
Imagen Archivo DGCyE.
b. ¿Te ocurrió alguna vez la situación que se observa en la siguiente imagen? Explicalo en tu carpeta teniendo en cuenta lo estudiado anteriormente acerca de las cargas.
Vector creado por brgfx tomado de Freepik.
Desde una mirada histórica, el primer fenómeno eléctrico artificial que se observó fue la propiedad que presentan algunas sustancias resinosas que –al ser frotadas con una piel o un trapo de lana– adquieren una carga negativa atrayendo objetos pequeños como plumas, cabellos, etc. Un cuerpo así tiene un exceso de carga negativa ya que presenta más electrones que protones.
Por otro lado, una varilla de vidrio frotada con seda tiene una capacidad similar para atraer objetos no cargados, y atrae los cuerpos cargados negativamente con una fuerza aún mayor. Esto sucede porque el vidrio tiene una carga positiva, es decir que posee más protones que electrones. Cuando se produce frotamiento de un determinado cuerpo se puede decir que éste ha sido cargado, llamándose a este proceso electrización por frotamiento. La electricidad que se ha producido no circula por el cuerpo sino que queda retenida y en reposo, por lo cual se denomina electricidad estática o electrostática.
En muchos casos la electrización se produce espontáneamente. Así sucede en los automóviles como consecuencia del roce con el aire, y al tocarlos producen pequeñas descargas. Lo mismo ocurre si uno se pone o quita prendas fabricadas con fibras sintéticas, notándose pequeños chasquidos.
Otros procedimientos para establecer un desequilibrio entre las cargas eléctricas de los materiales son los métodos de carga por contacto y carga por inducción.
“[…] En el método de carga por contacto, el desbalance eléctrico se produce estableciendo el contacto entre un cuerpo cargado eléctricamente y otro neutro. La carga eléctrica buscará distribuirse en la superficie del cuerpo compuesto por los dos, de tal manera que, al separarlos, ambos tendrán carga de igual signo.
Experimentalmente puede comprobarse que, si un cuerpo tiene puntas, allí se registran los máximos efectos eléctricos. Esto se explica porque en esas zonas existe una gran concentración de cargas a una distancia mínima, lo que implica mayor fuerza de repulsión entre las mismas, por lo que es fácil observar una chispa de descarga. Este hecho se conoce como poder de puntas.
En el procedimiento de carga por inducción, el desequilibrio en la distribución de la carga presente en un cuerpo es provocado por la aproximación de otro cuerpo cargado, llamado inductor. Este efecto se conoce como polarización. Muchas veces el desbalance desaparece cuando se aleja el inductor.”
Texto recuperado en "Energía eléctrica", consultado en noviembre de 2021.
Seguramente experimentaste con las formas de electrificación antes descritas. La siguiente experiencia la podés compartir con algún miembro de tu familia ya que es muy divertida.
✍ Actividad 6
- Necesitás un globo de látex y pequeños trozos de papel.
Vector tomado de Pixabay.
Imagen Archivo DGCyE.
- Lo primero que tenés que hacer es cortar pequeños trozos de papel e inflar el globo.
- Luego, frotá el globo en tu pelo, o en el de la persona que esté con vos, con movimientos rápidos durante un par de minutos. Enseguida acercalo a los papelitos.
Registrá en tu carpeta:
a. ¿Qué sucede con los papelitos cuando acercamos el globo?
b. Teniendo en cuenta lo analizado hasta ahora acerca de las cargas y la fuerza electrostática, escribí una explicación del fenómeno.
c. ¿Qué formas de electrificación se dan en el globo y los papelitos?
También podés volver a frotar el globo sobre tu cabello y acercarlo al agua que sale de la canilla.
d. ¿Qué ocurre? Explicalo a continuación.
e. ¿Existen modos de electrificación en esta experiencia? ¿Cuáles?
Es muy frecuente observar en lo alto de los edificios unas puntas llamadas pararrayos que tienen una finalidad específica e importante para la prevención de accidentes. ¿Qué tienen que ver estos objetos con las cargas y los fenómenos electrostáticos?
El llamado poder de las puntas se aplica en el diseño conveniente de los pararrayos. La descarga eléctrica entre las nubes y la Tierra se hace hacia la punta metálica más cercana que es el pararrayos, y con eso se evita su caída a otros lugares.
Vista de la cúpula de la confitería El Molino, en la ciudad de Buenos Aires donde se puede observar el pararrayo.
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Imagen de Wikimedia Commons.
Texto recuperado en "Energía electrica", consultado en noviembre de 2021.
✍ Actividad 7
A continuación se propone la lectura de un artículo periodístico que explica la importancia de los pararrayos y las medidas de seguridad en caso de producirse tormentas eléctricas. Leé con atención, analizá lo que plantea y respondé las preguntas que le siguen.
INTI: "Es común que en verano sucedan estas tormentas eléctricas"
El verano es una época particularmente común para que sucedan estos fenómenos de tormentas eléctricas que derivan en caídas de rayos, como el que impactó sobre una playa de Villa Gesell, informó el Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI).
"En enero y febrero las llamadas tormentas de verano ocurren con más frecuencia debido a las condiciones meteorológicas particulares de esta época del año", señaló a Télam Mario Pecorelli, físico encargado del Laboratorio de Alta Tensión del INTI.
Pecorelli explicó que un rayo se produce cuando hay "una descarga entre una nube de tormenta y la tierra", ya que "el aire, en tiempos de tormenta, se convierte en conductor y así se generan condiciones para que se produzca una descarga".
"Cuando hay tensión en una nube se produce un rayo, que no es más que la neutralización de las cargas eléctricas que quedaron atrapadas en esa nube de tormenta", afirmó.
El físico señaló que las tragedias como la ocurrida ayer en Villa Gesell "no suceden tan a menudo, aunque conviene tener presente ciertas medidas para que un rayo no caiga sobre la persona".
Recomendó que cuando se vislumbra una tormenta, hay que "alejarse inmediatamente de espacios abiertos, como la costa, un descampado o un campo de golf, porque la persona se puede convertir en conductor de la energía del rayo hacia la tierra".
El pararrayo es "un asta metálica terminada en punta, vinculada a tierra por medio de un conducto metálico para que la corriente se disperse", sostuvo, y su función es "captar la energía del rayo".
Es por eso que "cuando hay alguna punta, sea un humano o un árbol, el rayo encuentra el camino para descargar su energía hacia la tierra", describió.
Pecorelli, quien trabajó durante 37 años en el INTI y se jubiló hace algunos días, sugirió también "no bajarse del automóvil en caso de que comience a llover, ya que la estructura es conductora y protege al humano".
Sostuvo también que, aunque "en las ciudades es más difícil que un rayo impacte sobre la persona ya que hay para-rayos, hormigón que también conduce la energía, y mayores posibilidades de guarecerse, es recomendable no hablar por teléfono fijo ya que este suele ser vehículo para conducción de descarga".
Télam (2014, 10 de enero). INTI: "Es común que en verano sucedan estas tormentas eléctricas". Télam digital. Recuperado en noviembre de 2021.
Una vez que hayas leído el artículo:
a. Señalá o transcribí en tu carpeta los términos que no conozcas y preguntá a familiares, vecinas o vecinos sobre su significado.
b. Según las y los especialistas, ¿en qué época del año se producen mayor cantidad de tormentas eléctricas y por qué?
c. ¿De qué manera se producen los rayos y qué medidas de seguridad recomiendan las y los especialistas para evitar accidentes?
d. ¿Cómo funcionan los pararrayos y por qué es importante que se encuentren en las ciudades?
Imagen de portada: Pixabay