Electricidad

I. DEFINICIONES

a) Electricidad: La electricidad es una propiedad física que se manifiesta por la atracción o repulsión entre las partes de la materia, también puede definirse como un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y cuya energía se manifiesta en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.

b) Electrización: es uno de los fenómenos que estudia la electrostática, se define como el efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro

c) Electrostática: es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. En otras palabras estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado

d) Electrón: es una partícula subatómica de tipo fermiónico, comúnmente representado por el símbolo: e−. Los electrones rodean el núcleo del átomo, formando orbitales atómicos dispuestos en capas sucesivas. Tienen una masa de 9,11×10-31 kilogramos, unas 1840 veces menor que la de los neutrones y protones. Desde el punto de vista físico, el electrón tiene una carga eléctrica de igual magnitud, pero de polaridad contraria a la del protón. Dicha cantidad, cuyo valor es de 1,602×10-19 coulombios, es llamada carga elemental o fundamental

e) Protón: es una partícula subatómica con una carga eléctrica elemental positiva (1,602 × 10–19 coulombios) y una masa de (1,6726 × 10–27 kg) o, de igual manera, unas 1836 veces la masa de un electrón con una carga contraria. Se encuentran en el núcleo del átomo

f) Neutrón: El Neutrón es un barión neutro compuesto por dos quarks, uno de tipo down y un quark de tipo up. Se define también como una partícula eléctricamente neutra, de masa 1.838,4 veces mayor que la del electrón y 1,00014 veces la del protón; juntamente con los protones, los neutrones son los constitutivos fundamentales del núcleo atómico y se les considera como dos formas de una misma partícula: el nucleón.

g) Leptón: es un fermión fundamental sin carga hadrónica o de color. Es una partícula con espín -1/2 (un fermión) que no experimenta interacción fuerte (esto es, la fuerza nuclear fuerte). Los leptones forman parte de una familia de partículas elementales conocida como la familia de los fermiones, al igual que los quarks. Existen seis leptones y sus correspondientes antipartículas: el electrón, el muon, el tau y tres neutrinos asociados a cada uno de ellos. Siendo el electrón el leptón mas común.

h) Nucleón: nombre colectivo para dos partículas: el neutrón y el protón. Éstos son los dos constituyentes del núcleo atómico.

i) Mesón: Partícula elemental producida a partir de ciertas reacciones nucleares; su masa es intermedia entre el electrón y el nucleón. Es un bosón que responde a la interacción fuerte, esto es, un hadrón con un espín entero.

j) Hiperón: son ciertos bariones, como los protones y neutrones, pero mucho más pesados. Están formados por tres quarks, siendo estos también charm, strange, top y bottom (a diferencia de los protones y neutrones, compuestos solo por quarks up y down, mucho más ligeros). Los hiperones son altamente inestables y en fracciones de segundo se descomponen en bariones más estables como el protón y el neutrón.

k) Ión: un átomo o molécula que perdió su neutralidad eléctrica porque ha ganado o perdido electrones de su dotación, originalmente neutra, fenómeno que se conoce como ionización. Los iones cargados negativamente, producidos por la ganancia de electrones, se conocen como aniones y los cargados positivamente, consecuencia de una pérdida de electrones, se conocen como cationes. La energía de ionización se expresa en electrón-voltio, julios o en Kilojulios por mol (kJ/mol).1 eV = 1,6.10-19 coulombios . 1 voltio = 1,6.10-19 julios

II. DESCRIBA EL PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN ELECTROSCOPIO.

Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la presencia de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas por inducción, es decir, que permite detectar la presencia de campos eléctricos en un cuerpo e identificar si este tiene carga positiva o carga negativa. El primer electroscopio fue creado por el médico inglés William Gilbert para realizar sus experimentos con cargas electrostáticas.

Explicaremos su funcionamiento empezando por ver que sucede con las cargas en los materiales conductores.

El electroscopio de hojas, que es el más común, consiste de una varilla conductora vertical finalizando en sensor, que consiste en un par de hojas metálicas (piezas rectangulares muy finas usualmente de oro o aluminio), montado dentro de una carcaza de metal, o recipiente de vidrio, y aislada de la tierra. Si una carga eléctrica es aplicada al extremo de la varilla de metal esto hace que las hojas metálicas diverjan, debido a que cada uno de ellos recibe una carga similar (positiva o negativa) vía la varilla y estos se repelen mutuamente.

El electroscopio está compuesto por dos hojas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo.

Al acercar la varilla o electróforo cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada, llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojas se repelen y se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga.

La esfera del electroscopio queda cargada positivamente.

Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización.

El electroscopio

• ¿Cómo puede ser cargado negativamente sin tocarlo?

A esto se le conoce como carga del electroscopio por inducción

Figs. 1 y 2

Fig. 3 Al aproximar una vara con carga negativa al electroscopio, sin tocarlo, se inducen cargas de un signo en la placa metálica, y del otro signo en las hojas de metal: éstas se separan como se explicó en el funcionamiento (figura 1).

Cuando tocamos la placa metálica, las cargas de las hojas de metal son repelidas a tierra, y la hoja móvil cae (figura 2).

Al retirar el electróforo las cargas que estaban retenidas en la placa metálica se distribuyen en toda la extensión del electroscopio (figura 3). Al quedar nuevamente las hojuelas cargadas con igual signo, éstas se separan.

Como puede observarse, hemos cargado el electroscopio negativamente, usando como inductor un cuerpo cargado positivamente. Si el elemento inductor hubiera sido negativo, el electroscopio quedaría cargado positivamente.

• Explique por qué no funciona bien cuando el día está nublado

Cuando el dia esta nublado la humedad atmosférica es alta por lo tanto los cuerpos se descargan más rápidamente, lo que puede dificultar o impedir un resultado satisfactorio en el uso del electroscopio

III. PRINCIPIO DE LA TEORÍA ATÓMICA DE BOHR Y LEY DE COULOMB

• Teoría atómica de Bohr

Para explicar la estructura del átomo, el físico danés Niels Bohr desarrolló en 1913 una hipótesis conocida como teoría atómica de Bohr. Bohr supuso que los electrones están dispuestos en capas definidas, o niveles cuánticos, a una distancia considerable del núcleo. La disposición de los electrones se denomina configuración electrónica. El número de electrones es igual al número atómico del átomo: el hidrógeno tiene un único electrón orbital, el helio dos y el uranio 92. Las capas electrónicas se superponen de forma regular hasta un máximo de siete, y cada una de ellas puede albergar un determinado número de electrones. La primera capa está completa cuando contiene dos electrones, en la segunda caben un máximo de ocho, y las capas sucesivas pueden contener cantidades cada vez mayores. Ningún átomo existente en la naturaleza tiene la séptima capa llena. Los “últimos” electrones, los más externos o los últimos en añadirse a la estructura del átomo, determinan el comportamiento químico del átomo.

Todos los gases inertes o nobles (helio, neón, argón, criptón, xenón y radón) tienen llena su capa electrónica externa. No se combinan químicamente en la naturaleza, aunque los tres gases nobles más pesados (criptón, xenón y radón) pueden formar compuestos químicos en el laboratorio. Por otra parte, las capas exteriores de los elementos como litio, sodio o potasio sólo contienen un electrón. Estos

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