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Ficha temática

Fuerza entre cargas

La materia es esencialmente eléctrica, pues está constituida por átomos y éstos poseen cargas negativas y positivas. Te invitamos a estudiar con el siguiente recurso las fuerzas entre cargas.

Fuerza entre cargas

Caracterización del fenómeno eléctrico

La materia es esencialmente eléctrica, pues está constituida por átomos y éstos poseen cargas negativas y positivas. Normalmente los objetos que nos rodean se encuentran eléctricamente neutros debido a que dichas cargas se encuentran en igual cantidad. Sin embargo, cuando frotamos dos objetos este equilibrio se rompe y los fenómenos eléctricos se manifiestan como atracciones, repulsiones y flujo de corriente en forma de chispas.

Posiblemente conoces muchos casos en que la electricidad estática está presente. Si cuelgas diferentes objetos, tales como papel, plástico o vidrio, según se ilustra en la figura 1, al acercarles una peineta o un tubo de PVC que ha sido previamente frotado con lana o con tu pelo, podrás poner en evidencia las fuerzas eléctricas. Si solo acercas el objeto electrizado a las varillas colgantes, verás atracciones. Si con el cuerpo electrizado electrizas algunos de los cuerpos colgantes, al acercarlo nuevamente, verás repulsiones.

Figura uno
 
Una manera de estudiar efectos como los anteriores de un modo más riguroso es por medio de un instrumento simple denominado “electroscopio”. Lo esencial en todo electroscopio son dos materiales aislados eléctricamente del entorno y buenos conductores conectados entre sí a través de una unión que actúe como bisagra. Al menos uno de ellos debe ser móvil y muy liviano. Al electrizarse el conjunto, la repulsión entre ellos los separará, contrariamente a lo que intenta la fuerza de gravedad, poniendo en evidencia la presencia de carga eléctrica en todo el sistema. Estos instrumentos pueden tener aspectos como los que se ilustran en la figura 2.

Figura dos: ilustración de electroscopios.

Estos electroscopios, u otros semejantes, son fácilmente construidos y permiten estudiar los métodos de electrización por contacto y por inducción.

Los materiales en que estas cargas se pueden movilizar con facilidad los denominamos conductores eléctricos. Por el contrario, malos conductores o aisladores eléctricos son materiales en los cuales las cargas eléctricas encuentran gran dificultad de desplazamiento. Cuando electrizamos objetos por frotación, contacto, inducción u otro método, lo que hacemos es separar cargas eléctricas.

La ley de Coulomb

Si designamos por q1 y q2 a dos cargas puntuales (muy pequeñas en relación a la distancia r entre ellas), la expresión para su fuerza de interacción es:

 Expresión para fuerza entre cargas. [1]

Esta expresión se conoce como “Ley de Coulomb” en honor a su descubridor. La unidad de carga eléctrica es el coulomb (C), la distancia r se expresa en metros (m), la fuerza en newton y k es una constante cuyo valor depende del medio en que se encuentren las cargas. En el vacío es aproximadamente  9 x 109 newton por metro al cuadrado, partido por coulomb al cuadrado, en el agua, 80 veces mayor,

7 x 1010 newton por metro al cuadrado, partido por coulomb al cuadrado .

La figura 3 ilustra la definición de la unidad de carga eléctrica, el coulomb (C). 

Figura tres: ilustración de la definición de unidad de carga eléctrica, el coulomb

La ley de Coulomb se aplica a cargas puntuales, es decir, a cargas cuyos tamaños son despreciables frente a la distancia que las separa. Si se trata de objetos electrizados como los que se ilustran en las figuras 1 y 2, no podemos aplicar la fórmula [1] directamente. La fuerza eléctrica, al igual que todas las fuerzas, es una magnitud vectorial. Las fuerzas eléctricas actúan a distancia, son de igual magnitud y dirección, pero tienen sentidos opuestos; son pares del tipo acción-reacción. Según [1], la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas; es decir,  Fuerza sub e es directamente proporcional al producto entre carga sub uno y carga sub dos e inversamente proporcional a la distancia r que las separa; es decir,Fuerza sub e es directamente proporcional a uno partido por erre al cuadradoy también depende del medio en que estén inmersas, pues la constante k depende del medio.

Si Fe 0, se trata de una fuerza de repulsión, q1 y q2 son de igual signo. Si Fe 0, se trata de una fuerza de atracción, q1 y q2 son de signos opuestos.

La Ley de Coulomb presenta algunas semejanzas y diferencias con la ley de gravitación universal de Newton; es decir:

Expresión que relaciona la ley de Coulomb con ley de gravitación universal de Newton [2]

En esta expresión, m1 y m2 son dos masas puntuales; por ejemplo, las de la Tierra y la Luna o las de la Tierra y una manzana. Fg es la fuerza gravitacional con que se atraen cuando se hallan a una distancia r. G es la constante de gravitación universal 

Figura cuatro: ilustración de atracción entre dos particulas.

Ambas expresiones [1] y [2] son formalmente idénticas. Las dos dan cuenta de una fuerza de la naturaleza. En los dos casos dicha fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia r y ambas son directamente proporcionales al producto de algo, pero ese algo para [1] son las cargas eléctricas y para [2] las masas. Mientras las fuerzas eléctricas puedan ser de atracción o repulsión, según el signo de las cargas, la fuerza gravitacional es siempre atractiva, pues hasta donde sabemos hay un solo tipo de masa. Por último, en relación a las constantes de proporcionalidad, mientras k depende del medio en que se hallen las cargas, G es una constante de las que en física denominamos “universales”, pues no dependen de ningún otro factor.

Si la distancia entre dos cargas se duplica, entonces la fuerza eléctrica entre ellas se reduce no a la mitad, sino a la cuarta parte. Esta dependencia de la fuerza en función de la distancia se expresa en el gráfico de la figura 5.

Figura cinco: Gráfico de dependencia de la fuerza en función de la distancia.

foto color
 EL ELECTROIMÁN A continuación se muestra una actividad que consiste en construir un electroimán con materiales muy sencillos.Ir a la actividad
Guía del docente:


Descripción curricular:

- Nivel: 4.º Medio 

- Subsector: Ciencias físicas

- Unidad temática: Electricidad y magnetismo

- Palabras clave: electroimán, cargas eléctricas, movimiento de cargas eléctricas,

  campo magnético

- Contenidos curriculares: Fuerzas entre cargas

- Cargas en movimiento. Cálculo y análisis de la trayectoria de una carga

  en un campo eléctrico constante y uniforme.

- Aprendizajes esperados:

- Aplicar conceptos, relaciones y leyes para resolver problemas

  vinculados con la electricidad y el magnetismo.

- Reconocer las características de campos eléctricos y magnéticos, y

  sus interacciones con cargas.

- Utilizar diferentes medios de comunicación para recopilar

  información acerca de la electricidad y el magnetismo y su interacción

  con otros campos del conocimiento.

 

Contenidos relacionados:

- 1.º Medio:

La electricidad: carga y corriente eléctrica.

La electricidad: magnetismo y la fuerza magnética.

 

- 2.º Medio:

El movimiento: descripción del movimiento.

El movimiento: fuerza y movimiento.

 

- 3.º Medio:

Mecánica: movimiento circular.

 

- 4.º Medio:

Electricidad y magnetismo: ondas electromagnéticas.

El mundo atómico: primeros modelos atómicos.

El mundo atómico: el núcleo atómico, la constitución del núcleo.

El mundo atómico: el núcleo atómico, las fuerzas operando en el

  núcleo atómico.

 

Aprendizajes esperados de esta actividad: 

- Comprender que la electricidad se entiende como el movimiento de cargas

  en un conductor eléctrico.

- Relacionar los fenómenos del magnetismo con el movimiento de cargas.

- Relacionar el movimiento de los electrones en el átomo o moléculas con

  las propiedades magnéticas de un material.

 

Recursos digitales asociados:

- Ficha temática: Fuerza entre cargas.

- Diapositivas digitales: “Electricidad y magnetismo”

 

 

Actividades propuestas para este tema: 

 

La actividad que se propone puede ser útil para introducir el tema del

electromagnetismo. Los estudiantes construyen un pequeño electroimán con

materiales de uso común y disponible con facilidad. Esta experiencia sencilla

demuestra que el movimiento de cargas eléctricas es el responsable de las

propiedades magnéticas de los materiales y de los fenómenos magnéticos

en general. 

 

ACTIVIDAD: El electroimán

 

1H 

 

1. Mapa de contenidos tratados 

 

mapa 

2. Desarrollo de la actividad “El electroimán”

 

Es necesario que al menos por cada pareja de estudiantes cuenten con los

materiales:

a.  Limaduras de hierro (o pequeños trozos de virutilla de ollas)

b.  Una hoja de papel blanco

c.  Un clavo metálico de 2 a 5 pulgadas

d.  Una pila o batería pequeña (AA o AAA de 1,5 V)

e.  Cinta adhesiva (idealmente cinta engomada o huincha aisladora)

f.   30 cm de alambre de cobre engomado.

 

Asegúrese de que los estudiantes tengan acceso a la ficha n.º 23, “Fuerza

entre cargas”, y a bibliografía o a internet.

 

Paso 1

Anuncie a sus estudiantes que en esta actividad estudiarán los fenómenos

magnéticos. Motívelos a leer la guía de trabajo y seguir las instrucciones

para armar el electroimán. Esté atento a las posibles complicaciones y

preguntas de los estudiantes. Tome precauciones, ya que las pilas pueden

sobrecalentarse y producir algún accidente.

 

1.  ¿Qué ocurre con las cargas eléctricas cuando se mueven? Te

     proponemos el siguiente experimento:

 

a.  Toma un clavo metálico y enrolla en espiral el trozo de cable

     engomado de cobre. Procura dejar unos 4 cm por cada

     extremo del cable. Te puedes guiar por el dibujo.

 

            mapa

 

b.  Toma ambos extremos del alambre enrollado al clavo conecta

     un extremo al polo positivo de la pila y ponle cinta adhesiva

     para que no se desconecte. Mantén el otro extremo cerca del

     polo negativo de la pila, pero sin conectarlo.

 

c.  Distribuye en toda la hoja de papel blanco las limaduras de

     hierro (o pequeños trozos de virutilla de ollas). Con mucho

     cuidado acerca el clavo con el alambre enrollado, de tal

     manera que este último quede cerca de algunas limaduras de

     hierro. ¿Qué observas sobre la hoja de papel? Registra lo que

     observas mediante un dibujo.

     En este caso los estudiantes deben observar que no ocurre

     nada al acercar el clavo. Si alguno observa que las limaduras

     de hierro se adhieren al imán, cerciórese de que la pila aun no

     esté conectada. Puede ser que algunas limaduras estén

     imantadas y por ello se adhieran. 

 

d.  Ahora, con el clavo cerca de las limaduras de hierro, conecta

     completamente la pila a los extremos del cable de cobre. Ten

     cuidado, ya que la pila puede sobrecalentarse. ¿Qué ocurre con

     las limaduras de hierro? Registra lo que observas mediante un

     dibujo.

     Una vez que se conecte la pila, los estudiantes deben observar

     que las limaduras más cercanas a alguno de los extremos del

     clavo se adhieren a este tal como lo hacen con los imanes.

     Tome precauciones, ya que en este momento puede que

     alguna de las pilas se sobrecaliente. Advierta del peligro

     a sus estudiantes.

 

Paso 2

Dirija una breve discusión con el curso una vez que hayan realizado el

experimento. Intente recabar las preguntas de los estudiantes, pídales que

las anoten y que busquen su respuesta en fuentes bibliográficas. Motívelos

también a investigar lo que propone la guía del estudiante.

 

2.  Averigua lo que es un electroimán y los efectos que tienen las cargas

     en movimiento sobre otras cargas.

     En esta respuesta sus estudiantes deberán referirse a la generalidad

     de electroimanes posibles y sus aplicaciones, pero principalmente al

     fundamento de su funcionamiento. Pueden recabar información

     respecto a las bobinas de los motores, lo cual le permitirá introducir

     el tema de corriente alterna y continua. Asimismo, el efecto que

     tienen las cargas en movimiento sobre otras cargas tiene que ver con

     la desviación de cargas en movimiento por acción de un campo

     magnético.

 

3.  Averigua cómo son los átomos y moléculas de los imanes. ¿Qué

     relación tiene su actividad magnética con el movimiento de las cargas

     eléctricas?

     En esta investigación los estudiantes tienen la oportunidad de

     comprender la existencia de los imanes. Se debe hacer referencia a

     los electrones (partículas subatómicas cargadas) en movimiento y

     desapareados. Es importante enfatizar que mientras la molécula o

     átomo tenga electrones desapareados tendrá propiedades

     magnéticas.

 

4.  La brújula es una aguja magnetizada que siempre se orienta en la

     dirección Norte-Sur de la Tierra. Averigua qué es lo que causa esta

     orientación.

     Es importante que los estudiantes hablen de la constitución específica

     de la Tierra, y se refieran especialmente a la teoría de la deriva

     continental. Se reconoce que si la Tierra está girando y tiene en su

     interior un líquido (magma), es posible que la inercia explique la

     aparición de cargas en movimiento en el interior de la Tierra.

Información

Técnica

Descripción BreveLa materia es esencialmente eléctrica, pues está constituida por átomos y éstos poseen cargas negativas y positivas. Te invitamos a estudiar con el siguiente recurso las fuerzas entre cargas.
Temas relacionados

>>Sitio: Ley de Coulomb

>>Presentación: Repulsión y atracción

>>Video: Electrización

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
NM4 (4° medio)FísicaElectricidad y magnetismo

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