ENERGÍA Y ELECTRICIDAD ¿Qué es la electricidad?

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1 ENERGÍA Y ELECTRICIDAD ¿Qué es la electricidad?
Física y Química 3º ESO: guía interactiva para la resolución de ejercicios ENERGÍA Y ELECTRICIDAD ¿Qué es la electricidad? I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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Índice Fenómenos de electrización Unidades de carga Ley de Coulomb Ejercicio 1 Ejercicio 2 Ejercicio 3 Ejercicio 4 Ejercicio 5 Ejercicio 6 Ejercicio 7 Ejercicio 8 Ejercicio 9 Ejercicio 10 Ejercicio 11 Ejercicio 12 Ejercicio 13 Ejercicio 14 Ejercicio 15 I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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Ayuda El modelo teórico aceptado para explicar los fenómenos eléctricos es el siguiente: La materia tiene una propiedad, llamada carga eléctrica, responsable de las atracciones y repulsiones que se observan en ciertas experiencias. Sólo existen dos clases de carga eléctrica, la positiva y la negativa. Dos cuerpos que tienen cargas del mismo signo se repelen, mientras que si tienen cargas de diferente signo, se atraen. La carga más pequeña negativa es la que tiene un electrón (partícula de masa despreciable), mientras que la carga más pequeña positiva es la que tiene un protón (partícula de masa unas 2000 veces mayor), siendo la carga del electrón igual a la del protón en valor absoluto. En un átomo en estado neutro existe el mismo número de electrones que de protones. Los cuerpos en estado neutro tienen la misma cantidad de cargas positivas que negativas. Un cuerpo adquiere carga negativa cuando sus átomos adquieren más electrones que los que le corresponden. Un cuerpo adquiere carga positiva cuando sus átomos pierden electrones. En los fenómenos eléctricos las partículas que pueden variar, intercambiarse, desplazarse, etc, son los electrones, ya que están situados en la parte externa del átomo (corteza). Los protones nunca varían porque están dentro del átomo (núcleo) y no se puede acceder a ellos. Los cuerpos pueden electrizarse por intercambio de electrones con otros cuerpos ( fricción, contacto) o por desplazamiento de los electrones (inducción, polarización). Los materiales conductores (por ejemplo, metales) tienen cargas libres que circulan fácilmente, en los materiales aislantes (por ejemplo, plásticos) por el contrario, las cargas no se mueven con facilidad. La ley de Coulomb permite calcular la fuerza con se atraen o repelen cuerpos muy pequeños cargados La unidad internacional de carga es 1 culombio (1C), que equivale a la carga que sustentan electrones (también se usan sus submúlltiplos: miliculombio (mC), microculombio (mC), picoculombio (pC)). I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 1 Interpreta con el modelo teórico para la materia que has estudiado, cómo se carga una barra de metacrilato al frotarla con un paño. Al principio, el paño y la varilla, tienen cada uno el mismo número de cargas positivas y negativas, por tanto su estado eléctrico es neutro. Haz clic para ver cómo se cargan - Al frotar la varilla con el paño, pasan electrones desde la varilla a éste, quedando con carga neta negativa. La varilla tendrá ahora más cargas positivas que negativas, por lo que su carga neta será positiva. + I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 2 Se frotan con paños de la misma tela dos varillas de dos materiales diferentes: metacrilato y polietileno, observándose una serie de hechos, que debes ir explicando en tu cuaderno, aplicando el modelo teórico que has estudiado. Al acercar dos varillas del mismo material se repelen Al acercar dos varillas de diferente material se atraen Al acercar el paño con que hemos frotado la varilla de metacrilato a ésta, se nota una atracción Al acercar entre sí los dos paños utilizados, se nota una atracción. Al frotar las varillas con el paño, pasan electrones de éste a la varilla (polietileno) o de la varilla al paño (metacrilato) - polietileno + - - + metacrilato - + Dos varillas del mismo material tendrán carga del mismo signo,por tanto se repelen. Dos varillas de diferente material tendrán carga de diferente signo signo, por tanto se atraen. Los paños han quedado cargados de signo distinto a las varillas, por tanto cada uno se atraerá con la varilla que ha frotado, y también entre sí. + - I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 3 Electrizamos una varilla de polietileno frotándola con un paño y después la acercamos a un péndulo hecho con una bolita de papel de aluminio, que cuelga de un hilo aislante. Explica y dibuja un esquema de lo qué va sucediendo. I. El aluminio es un buen conductor, al acercar la varilla, sus electrones móviles se alejan lo más posible, dejando carga positiva cerca de la varilla. II. La bolita es atraída por la varilla y ambas se tocan, si permanecen un tiempo en contacto, pasarán electrones desde la varilla a la bola. - + ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN + - ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO + - III. Los electrones que han pasado a la bola han neutralizado las cargas positivas, ahora el aluminio tiene una carga neta negativa y sa aleja de la varilla, que aún conserva carga negativa. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 4 Si repetimos el experimento anterior, electrizando una varilla de polietileno frotándola con un paño, y después la acercamos a un péndulo que esta vez tiene una bolita de poliexpán (aislante), los hechos son los mismos, pero todo sucede más lentamente, explica por qué. I. El poliexpán es un mal conductor, al acercar la varilla, sus electrones experimentan un leve desplazamiento. Se acumula carga positiva cerca de la varilla. II. Cuando entran en contacto los dos objetos, hace falta bastante tiempo para que los electrones neutralicen las cargas positivas, ya que circulan mal por el poliexpan. - + + - ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN + + - - ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO + - III. Después de un cierto tiempo, se produce repulsión entre la bola y la varilla, ya que ambas tienen carga negativa. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 5 Explica y dibuja lo que sucede cuando hacemos el conocido experimento de frotar con la ropa un bolígrafo y luego atraer con él unos trocitos de papel. El bolígrafo se electriza por frotamiento con la ropa - - - - - - + + + + + + + + + - - - Al acercar el bolígrafo a los papelitos, éstos sufren una separación de cargas, (inducción), los electrones van hacia la carga positiva del bolígrafo y cómo los papeles son muy ligeros, se mueven hasta pegarse a él. DESPUÉS DE UN RATO SE DESCARGARÁN AMBOS OBJETOS - + - + + - + - + - + - + - + - + - + I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 6 A mediados del siglo XVIII, Benjamin Franklin descubrió la naturaleza eléctrica de las tormentas, y logró conducir a tierra la carga de una nube a través de una cometa. Hoy se sabe que en una nube de tormenta la parte superior está cargada positivamente, mientras que la inferior está cargada negativamente. Teniendo en cuenta esta información y los fenómenos de electrización, intenta explicar cómo se produce la “caída” de un rayo, así como el relámpago y el trueno que lo acompañan. La nube de tormenta se carga La tierra se carga por inducción Se produce un flujo de cargas negativas hacia tierra: es el rayo; el aire se calienta y se expande, como en una explosión, y aparecen sonido (trueno) y luz (relámpago). - + + I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 7 (a) ¿Qué es un electroscopio y para qué sirve? (b) Describe su funcionamiento. El electroscopio es un aparato que permite averiguar si un cuerpo está o no cargado eléctricamente. Consta de una botella de vidrio, un tapón de goma por cuyo centro pasa una varilla metálica que tiene, en uno de sus extremos, una pelotilla metálica y, en el otro, dos laminillas de oro o platino, que al cargarse, por contacto o por inducción, se repelen (se separan). - + Al acercar un objeto cargado, la bola del electroscopio se carga por inducción. La parte opuesta a la bola se carga del signo contrario y entonces las dos láminas ligeras, cargadas con el mismo signo, se repelen y se separan. + - I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

11 EJERCICIO 8 Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda y se toca con ella la bolita del electroscopio, ¿qué afirmaciones son correctas? (a) el electroscopio se carga por inducción (b) el electroscopio se carga por contacto (c) el electroscopio se carga positivamente (d) el electroscopio se carga negativamente el electroscopio se carga por inducción (a ) - F el electroscopio se carga por contacto (b) V el electroscopio se carga positivamente (c) F Explicación: El vidrio se carga negativamente. Al tocar la bolita del electroscopio pasan los electrones y se carga todo negativamente . el electroscopio se carga negativamente (d) V I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

12 EJERCICIO 9 Indica si las frases que van apareciendo en la pantalla son verdaderas (V) o falsas (F).
Si un cuerpo adquiere una carga positiva ha perdido todos sus electrones. F Si un cuerpo pierde electrones, su masa varía apreciablemente. F Hacer experimentos de electricidad es más difícil en días húmedos. V Si acercamos un objeto cargado positivamente a un electroscopio cargado positivamente, la lámina móvil cae, o si hay dos láminas, dejan de estar separadas. F I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

13 EJERCICIO 10 Enumera cuatro fenómenos de electrización que puedan observarse en la vida corriente y da una pequeña explicación de lo que ocurre en cada caso: Electrización por fricción: el cabello y el peine se cargan con signos contrarios y se atraen. Al peinarnos o cepillarnos el cabello en un día seco, el pelo es atraído por el peine. La carrocería se carga por rozamiento con el aire; al tocarla se descarga a través del cuerpo. Se suelen instalar cadenas que descargan a tierra el coche. Al tocar la carrocería de un automóvil después de que éste se ha movido en un día seco, notamos un calambre. En el tubo de rayos catódicos de la TV circulan electrones, que cargan la pantalla. El vello se electriza fácilmente por inducción. Al acercar a la pantalla del televisor el brazo, el vello de éste es atraído por la pantalla. Este tipo de fibras se electrizan con facilidad por rozamiento con el cuerpo o con otra prenda; al aproximarse partes cargadas de la prenda, saltan electrones entre ambas. Cuando nos quitamos una prenda de fibra artificial, a veces se producen pequeños chasquidos. I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

14 EJERCICIO 11 El pararrayos es un aparato que está basado en el “efecto punta”, por el cual las cargas de un conductor puntiagudo están más concentradas en la parte afilada de éste. Explica su funcionamiento e instalación para proteger un edificio de los rayos. 1. Explica con un dibujo el “efecto punta”. 2. Explica con un dibujo el funcionamiento del pararrayos. + - - En un conductor cargado, la carga se almacena en la superficie. En la punta la superficie es menor, y por tanto la densidad de carga mayor, tanto que el aire que rodea la punta puede llegar a cargarse (ionizarse) + Conductor Placa metálica I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

15 (La carga será de signo negativo)
EJERCICIO 12 Haciendo uso de la ayuda, calcula : (a) ¿Cuántos electrones ha perdido un cuerpo cuya carga es 0,5 mC? (b) ¿Cuántos culombios de carga tiene un cuerpo que ha adquirido 104 electrones? (a) Teniendo en cuenta que la carga de una electrón es 1, C, se establece la siguiente proporción: Y despejando de ella el valor de x el resultado es: x = 3, electrones (b) Teniendo en cuenta que la carga de una electrón es 1, C, se establece la siguiente proporción: Y despejando de ella el valor de x el resultado es: x = 1, C (La carga será de signo negativo) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 13 Ordena de mayor a menor cantidad de carga, los valores que te aparecerán en la pantalla: Transformando todas las cantidades en culombios y expresándolas con notación científica: C C C C C C C 0,3 mC 30 mC 300 pC 0,003 C 0, C 0,03 mC 0, C Por tanto el orden es D A B G E F C I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

17 EJERCICIO 14 ¿Qué fuerza se ejercen dos cargas puntuales de +3mC y +1mC situadas a una distancia de 9 m en el vacío? (K = N.m2/C2) Recuerda la expresión de la ley de Coulomb. Sustituye los datos, expresados en unidades internacionales, en la ley de Coulomb. Habrá repulsión entre ellas I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química

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EJERCICIO 15 Dos partículas tienen cargas iguales y de signo contrario; se sabe que se atraen con una fuerza de 2 N cuando se encuentran a 2 m de distancia. ¿Qué carga tiene cada partícula? Recuerda la expresión de la Ley de Coulomb. Sustituye los datos, expresados en unidades internacionales: Se despeja la incógnita q2 q = 2, C (Para ambas cargas, una + y otra -) I.E.S. Élaios Departamento de Física y Química