Electricidad y magnetismo
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Museo Interactivo de Ciencia, Tecnología y Sociedad Universidad Nacional de General Sarmiento (UNGS). Campus Universitario: Juan M. Gutiérrez 1150 (B1613GSX) Los Polvorines- Provincia de Buenos Aires. http:www.ungs.edu.ar Museo Interactivo de Ciencia, Tecnología y Sociedad Imaginario. Dirección: Roca y Muñoz San Miguel- Provincia de Buenos Aires. Coordinación General del Museo : Dra. Lilia Romanelli Coordinadora técnica operativa del Museo: Prof. Gladys Carina Antúnez Elaboración de la valija itinerante: Prof. Salomone, Horacio Daniel. Téc. Cáceres, Maximiliano Antonio. Fecha de edición del cuadernillo: Página 1 de 28 1. Información Pagina x Página 2 de 28 Página 3 de 28 Materiales: ➢ Dos cubas electrolíticas ➢ Página 4 de 28 Página 5 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Quedémonos Plasmados!! Tema: Funcionamiento de la esfera de plasma Objetivo de la experiencia: ¾ Conocer el fenómeno relacionado con el funcionamiento de la esfera. ¾ Relacionar dicho funcionamiento con fenómenos de electricidad. ¾ Comprender el funcionamiento cualitativo de un capacitor. • Nivel: ESB – Polimodal. • Dificultad: Media. • Seguridad: evitar acercar a la esfera, mientras esté en funcionamiento, dispositivos electrónicos, ya que puede dañarlos; o material metálico, pues existe el riesgo de quemaduras. • Tiempo estimado: 40 minutos. vCantidad de integrantes por grupo: A criterio del docente, no es una actividad pensada para grupos. #Materiales a utilizar de la valija: Esfera de plasma, tubo fluorescente. #Otros materiales: papel de aluminio, llaves (o algún objeto metálico semipunteagudo). TContenidos relacionados: plasma, campos eléctricos de alta frecuencia, conductores y aislantes, corriente eléctrica, capacitores y dieléctricos. Breve introducción al tema: ¿Qué es el plasma? En física y química, un plasma es un sistema que contiene un número significativo de partículas cargadas (iones) libres y cuya dinámica presenta efectos Página 6 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad colectivos dominados por las interacciones electromagnéticas de largo alcance entre las mismas. Al plasma se lo denomina "el cuarto estado de la materia", además de los tres conocidos (sólido, líquido y gaseoso). Es un gas en el que los átomos se han roto y han quedado con alguna carga eléctrica moviéndose libremente. Ejemplos de plasmas: Producidos artificialmente: tubos fluorescentes (iluminación de bajo consumo), en las pantallas planas, materia expulsada para la propulsión de cohetes, la región que rodea el escudo térmico de una nave espacial durante su entrada en la atmósfera, en el interior de los reactores de fusión, las descargas eléctricas de uso industrial, en las bolas de plasma. Plasmas terrestres: el fuego, los rayos durante una tormenta, la ionósfera, la aurora boreal. Plasmas espaciales y astrofísicos: las estrellas como el Sol, los vientos solares, las nebulosas intergalácticas. La esfera de plasma: Una esfera de plasma (también llamada "bola de plasma" o "lámpara de plasma") es un objeto novedoso, que alcanzó su popularidad en los años 1980. Fue inventada por Nikola Tesla tras su experimentación con corrientes de alta frecuencia en un tubo de cristal vacío con el propósito de investigar el fenómeno del alto voltaje. Tesla llamó a este invento Inert Gas Discharge Tube (tubo de descarga de gas inerte). Las lámparas de plasma están disponibles en multitud de formas, siendo las más frecuentes esferas y cilindros. Aunque haya muchas variaciones en su forma, una lámpara de plasma es por lo general una esfera de cristal transparente, llena de una mezcla de varios gases inertes (normalmente argón, neón, xenón y kriptón) con presión baja, y conducida por corriente alterna de alta frecuencia y alto voltaje (aprox. 35kHz, 2-5kV), generada por un transformador de alta tensión. Un orbe más pequeño en su centro sirve como un electrodo. Emite "serpientes de luz" (en realidad, gas ionizado) que se extienden desde el electrodo interior hasta las paredes de la esfera de cristal, dando una apariencia similar a múltiples y constantes relámpagos coloreados. La colocación de una mano cerca del cristal altera el campo eléctrico de alta frecuencia, causando un único rayo dentro de la esfera en dirección al punto de contacto. Cuando se acerca cualquier objeto conductor a la esfera se produce una corriente eléctrica; como el cristal no bloquea el flujo de corriente cuando están implicadas altas frecuencias, actúa como el dieléctrico en un condensador formado entre el gas ionizado y, en este caso, la mano. Hay que tener cuidado al colocar dispositivos electrónicos (como un ratón de ordenador) cerca o sobre la lámpara de plasma: no sólo puede calentarse el cristal, sino que la elevada tensión puede inyectar una carga estática sustancial en el dispositivo, aún con la cubierta protectora plástica. El campo de radiofrecuencia producido por las lámparas de plasma puede interferir con ordenadores portátiles, reproductores digitales de audio, y otros dispositivos similares. Además, cuando se coloca un metal sobre la superficie de cristal de una lámpara de plasma, existe riesgo de quemaduras; es muy fácil que la electricidad se abra camino hacia objetos metálicos, especialmente cuando Página 7 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad éstos se encuentran sujetos por ciertos materiales conductores, por ejemplo, la piel humana. Después de unos minutos de encendido constante, cerca de la esfera de cristal suele acumularse ozono. Este se acumula de manera más acelerada si se coloca una mano o un objeto metálico sobre el cristal. El diagrama de abajo muestra las características básicas de una esfera de plasma. La señal de alto voltaje está generada por un transformador, semejante al que se utiliza en los tubos de televisión. Esto produce entre 5 000 V y 10 000 V a una frecuencia de aproximadamente de 20 kHz. Algo de historia: En la patente estadounidense 0514170 ("Incandescent Electric Light", 6 de febrero de 1894), Nikola Tesla describe una lámpara de plasma. Esta patente es de una de las primeras lámparas de alta intensidad. Tesla tomó un tipo de esfera incandescente con el elemento conductor suspendido y le aplicó alto voltaje, creando así la descarga. Más tarde, Tesla llamaría a su invención "Inert Gas Discharge Tube". El popular producto que se vende actualmente en todo el mundo fue inventado por el artista Bill Parker mientras era estudiante en el MIT. Más tarde lo desarrolló cuando era artista residente del Exploratium science museum. La tecnología necesaria para hacer las mezclas precisas de gases de las esferas de plasma actuales, especialmente los gases raros de alta pureza, no estaba a disposición de Tesla. Para crear los vivos colores, la gama de movimientos y los complejos patrones que aparecen en las lámparas de plasma actuales se usan estas mezclas de gas, formas de cristal variadas y circuitos integrados, todos fueron desarrollados y patentados por Bill Parker entre los años 1980 y 1990. Las lámparas típicamente contienen xenón, kriptón y/o neón, aunque también pueden usarse otros gases. Algunos posibles usos: Página 8 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Las lámparas de plasma se emplean principalmente con fin lúdico y decorativo, como curiosidades o juguetes por sus efectos de luz únicos y los "trucos" que pueden ser realizados sobre ellas moviendo las manos alrededor. También podrían formar parte del equipo de laboratorio de una escuela con objetivos de demostración. Por lo general no se emplean para iluminación. Además, las lámparas de plasma y sus variaciones han sido empleadas como apoyos y fuentes para efectos especiales de programas de televisión de ciencia ficción. Capacitores y dieléctricos: Un condensador o capacitor es un dispositivo formado por dos conductores, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica. Los capacitores tienen la propiedad de almacenar carga y liberarla. A mayor carga eléctrica, mayor diferencia de potencial que impulsa los electrones en un circuito cerrado produciendo una corriente eléctrica que circulará por cualquier conductor que se ponga en contacto con dicho capacitor. Por esta razón, en la experiencia 2 a realizar el tubo fluorescente se encenderá con mayor intensidad al estar en contacto con el capacitor. En dicha experiencia se improvisará un capacitor formado por el plasma y el papel de aluminio, que serán los conductores, y el vidrio de la esfera funcionará como dieléctrico. Detalle de la experiencia: Experiencia 1 –Observando rayos de plasma- : poner en funcionamiento la esfera de plasma y comenzar la discusión del fenómeno. Tomando los recaudos necesarios y si el docente así lo desea, invitar a los alumnos a tocar la esfera. Experiencia 2 –Fabricando un capacitor- : también dependerá de la decisión del docente el hecho de que esta experiencia se realice en grupos, también de aproximadamente 4 chicos, o en forma demostrativa. Hay que tener en cuenta que la corriente resultante puede provocar quemaduras, lo que hace que se deba trabajar en condiciones de seguridad estrictamente controladas. Primero, se enciende la esfera y se acerca el tubo fluorescente. Se verá que éste último apenas se prenderá. Se discute el porqué, y qué será necesario para que el tubo se encienda por completo. A continuación, se recorta un cuadrado, de aproximadamente 4 cm. de lado, de papel aluminio. Se lo dobla formando dos triángulos. Luego, se coloca el papel en la parte superior de la esfera, con ésta apagada, apoyándolo en uno de sus triángulos. Posteriormente, se acerca un objeto metálico (preferentemente una llave) al papel de aluminio y se observa el fenómeno (una descarga constante). Para finalizar la experiencia, se acerca nuevamente el tubo fluorescente hacia el papel de aluminio y se observa que se enciende con mayor intensidad que cuando se lo acercaba directamente a la esfera. hActividades de la experiencia Página 9 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Antes de la experiencia: ¿Qué es el plasma? ¿Conocen las bolas de plasma? ¿Qué sucede cuando la tocan? Después de la experiencia: hActividades propuestas para luego de la experiencia: ¿Por qué se observan rayos de colores? ¿Qué sucede si acercan un objeto metálico? hActividad extra: ¿Cómo funciona una pantalla de plasma? ¿Qué diferencia hay entre el plasma y el LCD? à Bibliografía – links: • www.wikipedia.org • Hewitt, Paul G. “Física conceptual”. Pearson 1999. Página 10 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad ¿¿¡¡Soy repulsivo!!?? IDEAR UNA CONSTRUCCION SENCILLA DE ELECTROSCOPIO Y EFECTIVA (DE SER POSIBLE) Tema: Funcionamiento del electroscopio. Objetivo de la experiencia: 9 Determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. • Nivel: ESB – Polimodal. • Dificultad: Media – Baja. • Seguridad: Baja. • Tiempo estimado: 30 minutos. vCantidad de integrantes por grupo: A determinar por el docente. #Materiales a utilizar de la valija: Frasco de vidrio con tapa, un clip grande, papel de aluminio, varillas de plástico y cable de cobre fino. #Otros materiales: Regla, lana o alguna tela de polar. Se puede pedir que de a grupos de 4 alumnos lleven 1 frasco de vidrio con tapa, papel de aluminio, y un cable fino de cobre. Breve introducción al tema: Un electroscopio es un aparato que se utiliza para medir si un cuerpo tiene carga o no. Es un dispositivo de armado sencillo, consiste en una varilla metálica vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de metal en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. Página 11 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello, la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico, o se descarga, puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. El primer electroscopio fue creado por el médico inglés William Gilbert para realizar sus experimentos con cargas electrostáticas. Actualmente este instrumento no es más que una curiosidad de museo, dando paso a mejores instrumentos electrónicos. Determinación de la carga a partir del ángulo de separación de las láminas (opcional a tratar por el docente): Electroscopio simplificado Un modelo simplificado de electroscopio consiste en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo θ que forma una esfera con la vertical, se puede calcular su carga q. Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso mg, la tensión de la cuerda T y la fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F. En el equilibrio, planteando las ecuaciones de Newton: Página 12 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad (1) y (2). Dividiendo (1) y (2) miembro a miembro, se obtiene: Midiendo el ángulo θ se obtiene, a partir de la fórmula anterior, la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas. Según la Ley de Coulomb: y como: y Entonces, como se conoce y ha sido calculado, despejando se obtiene: Gráfica de comportamiento del electroscopio Armado de un electroscopio casero: • • • • Se corta un rectángulo estrecho de papel de aluminio y se lo dobla a la mitad. Se realiza un orificio en la tapa del frasco y se lo atraviesa con el alambre doblando el extremo que va a quedar en el interior. Se coloca la tira de papel aluminio y se cierra el frasco teniendo cuidado de que la tira no toque las paredes ni el fondo. Se hace una bolita de papel de aluminio y se la coloca en el extremo exterior del alambre. Página 13 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente• Valija de Electricidad Cerrando bien el frasco ya se tiene construido el electroscopio. Puesta en funcionamiento: • • Se frota con lana (o tela polar) diferentes materiales y se los acerca a la esfera de aluminio ubicada en el exterior del electroscopio, observándose que las láminas se abren en el interior del mismo. Tocando la parte superior del electroscopio con la mano o con algún material conductor éste se descarga y vuelve a su posición original. TContenidos relacionados: Electrostática. Comportamiento de cargas eléctricas. Conductores y no conductores. hActividades de la experiencia Antes de la experiencia: ¿Qué es la electrostática?, ¿Por qué dos materiales se pueden repeler o se atraer? ¿Qué ejemplos conocen? Después de la experiencia: hActividades propuestas para luego de la experiencia: ¿Qué es un electroscopio?, ¿cómo funciona?, ¿qué características deben tener los componentes de un electroscopio? hActividad extra: Proponga el armado de un electroscopio con materiales diferentes a los utilizados en la experiencia. à Bibliografía – links: • www.wikipedia.org • Hewitt, Paul G. “Física conceptual”. Pearson 1999. Página 14 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Curvas peligrosas!! Tema: curvas equipotenciales. Objetivo de la experiencia: 9 Determinar el mapa de líneas o superficies equipotenciales para distintas configuraciones de electrodos conectados a una fuente de baja tensión e inmersos en un medio líquido conductor. 9 Demostrar en forma experimental, que las líneas o curvas equipotenciales son paralelas entre sí, y a su vez perpendiculares a las líneas de campo eléctrico. También mediante las graficas de las curvas equipotenciales y como consecuencia de las líneas de campo eléctrico, poder identificar cuándo una zona esta influenciada por un campo intenso o no. • Nivel: Polimodal. • Dificultad: Alta. • Seguridad: se recomienda una supervisión casi constante como precaución, especialmente durante la conexión de la fuente con los electrodos. • Tiempo estimado: 45 minutos. vCantidad de integrantes por grupo: se pueden armar a lo sumo dos grupos debido al material disponible. #Materiales a utilizar de la valija: cubas electrolíticas, electrodos de aluminio, baterías, agua, cables con cocodrilos, tester. #Otros materiales: hojas milimetradas. Breve introducción al tema: Al hablar de curvas equipotenciales tenemos que mencionar muchos conceptos tales como campo eléctrico, potencial eléctrico, líneas de fuerza y finalmente definir superficies y curvas equipotenciales. Campo: En física, el concepto surge ante la necesidad de explicar la forma de interacción entre cuerpos en ausencia de contacto físico y sin medios de sustentación para las posibles interacciones. La acción a distancia se explica, entonces, mediante efectos provocados por la entidad causante de la interacción, sobre el espacio mismo que la rodea, permitiendo asignar a dicho espacio propiedades medibles. Así, será posible hacer corresponder a cada punto del espacio valores que dependerán de la magnitud del Página 15 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad cuerpo que provoca la interacción y de la ubicación del punto que se considera. Los campos más conocidos en física clásica son el campo electromagnético y el gravitatorio. Potencial eléctrico: El potencial eléctrico (V) en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica (ley de Coulomb) para mover una carga unitaria q desde ese punto hasta el infinito, donde el potencial es cero. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde un punto muy alejado comparado con el tamaño de la carga hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente se expresa por: El enunciado que describe la ley de Coulomb es el siguiente: "La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa." En términos matemáticos, la magnitud F de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1 y q2 ejerce sobre la otra separadas por una distancia d se expresa como: Líneas de fuerza: Página 16 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Una línea de fuerza o línea de flujo, normalmente en el contexto del electromagnetismo, es la curva cuya tangente proporciona la dirección del campo en ese punto. Como resultado, también es perpendicular a las líneas equipotenciales en la dirección convencional de mayor a menor potencial. Suponen una forma útil de esquematizar gráficamente un campo, aunque son imaginarias y no tienen presencia física. Líneas de fuerza de un imán visualizadas mediante limaduras de hierro extendidas sobre una cartulina. Curvas Equipotenciales: La distribución del potencial eléctrico en una cierta región donde existe un campo eléctrico puede representarse de manera grafica mediante superficies equipotenciales. Una curva o superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos de igual potencial, donde se cumple que el potencial eléctrico generado por alguna distribución de carga o carga puntual es constante. Por otra parte, se puede afirmar que la superficie equipotencial que pasa por cualquier punto es perpendicular a la dirección del campo eléctrico en ese punto. Finalmente las líneas de fuerzas y las superficies equipotenciales forman una red de líneas y superficies perpendiculares entre si. En general las líneas de fuerzas de un campo son curvas y las equipotenciales son superficies curvas. Podemos afirmar asimismo, que si todas las cargas están en reposo en un conductor, entonces la superficie del conductor siempre será una superficie equipotencial. Página 17 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad En el dibujo, como se puede apreciar, las líneas de fuerza, las de color azul, son perpendiculares a las curvas equipotenciales denotadas de color verde, en este caso generadas por una carga positiva. Cómo medir curvas equipotenciales: Una forma estándar utilizada con fines educativos y demostrativos es preparar una cuba electrolítica. Es decir, un recipiente con un líquido conductor y electrodos sumergidos en él. Los electrodos se conectan a una fuente de baja tensión y, con un tester, se pueden seguir las líneas equipotenciales. Un electrodo es un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor, un electrolito, el vacío (en una válvula termoiónica), un gas (en una lámpara de neón), etc. Detalle de la experiencia: Armar el dispositivo utilizando los materiales entregados. Se colocará una hoja milimetrada sobre una mesa, y encima irá la cuba electrolítica. Cada grupo podrá elegir la configuración que desee con los electrodos disponibles. Posiblemente, será necesario que éstos últimos se deban adherir al fondo con plastilina para que queden fijos. Luego, se coloca el agua en la cuba y, finalmente, se procede a conectar la fuente con los mismos. Se utilizarán dos cables con cocodrilos para conectar cada terminal de la fuente con un electrodo. Cada grupo debe tener otra hoja milimetrada extra para dibujar sobre la misma la configuración de electrodos elegida con la mayor exactitud posible. Luego de realizada la conexión, se prepara el tester para proceder a las mediciones. Es recomendable fijar el tester en DCV 10V y utilizar la lectura de DCV de escala 2 en 2 hasta 10 del visor. A continuación, se conecta dos cables con punta en el tester. Para medir, se coloca una de las puntas de conexión tocando el fondo del recipiente en un punto fijo, mientras que la otra punta también se la coloca tocando el fondo y se la mueve sobre la superficie buscando curvas equipotenciales. Recordar que dichas curvas son aquellas en las que el potencial eléctrico no varía. Por lo tanto, cuando la aguja del tester deje de moverse durante la búsqueda, se habrá encontrado una y se la deberá dibujar en la hoja milimetrada extra destinada a tal fin. Se pretende que se encuentren al menos 5 de esas curvas. Una vez dibujadas las curvas equipotenciales, dibujar las líneas de campo eléctrico de los electrodos considerando que son perpendiculares entre sí. TContenidos relacionados: Ley de Coulomb, campo eléctrico, líneas de fuerza, líneas de campo eléctrico, potencial eléctrico, superficies y curvas equipotenciales, vectores. hActividades de la experiencia Antes de la experiencia: ¿qué es un electrodo?, ¿qué es un campo eléctrico?, ¿cómo son las líneas de campo eléctrico?, ¿qué es una superficie o curva equipotencial? Página 18 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Después de la experiencia: hActividades propuestas para luego de la experiencia: ¿Qué patrón muestran las curvas equipotenciales con respecto al electrodo que las produce?, ¿qué patrón muestran las líneas de campo eléctrico producidas por un electrodo o un conductor cargado?, ¿Qué relación existe entre las líneas de campo eléctrico y una curva equipotencial? hActividad extra: ¿Cuál sería tu predicción de las equipotenciales y las líneas de campo para las siguientes configuraciones? Dibujarlas a mano alzada. à Bibliografía – links: • www.wikipedia.org • Hewitt, Paul G. “Física conceptual”. Pearson 1999. Página 19 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Hágase la luz Tema: Funcionamiento de lámparas incandescentes. Objetivo de la experiencia: ¾ Explicar el funcionamiento de objetos eléctricos sencillos de uso diario como una lamparita. ¾ Entender cuándo se produce corriente eléctrica. ¾ Comprender el concepto de resistencia eléctrica. ¾ Relacionar la presencia o ausencia de oxígeno con la combustión del filamento de una lamparita. • Nivel: EGB-Polimodal. • Dificultad: baja. • Seguridad: media. Ser cuidadoso al encender la vela y al conectar las terminales de la batería. • Tiempo estimado: 30 minutos. vCantidad de integrantes por grupo: la actividad puede ser demostrativa o pedir previamente que la clase cuente con material extra para armar varias lámparas en grupos. Se cuenta en la valija con dos baterías, pero los grupos se pueden turnar para utilizarlas. #Materiales a utilizar de la valija: frasco de vidrio con tapa previamente agujereada, vela, cable de cobre, electrodos (alambres), plastilina, batería, cables con cocodrilo. #Otros materiales: velas, cable de cobre, alambre que funciona como electrodo, frascos de vidrio con tapa, plastilina. Breve introducción al tema: Las lámparas de incandescencia son resistencias eléctricas que se calientan fuertemente al paso de la corriente poniéndose, como su nombre indica, incandescentes y emitiendo radiación visible. Constan básicamente de tres elementos: - Ampolla donde se realiza el vacío o se introduce un gas inerte (tubos fluorescentes). Página 20 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad - Filamento. - Casquillo. Existen dos tipos de lámparas incandescentes: las que contienen un gas halógeno en su interior y las que no lo contienen. Lámparas no halógenas: Entre las lámparas incandescentes no halógenas podemos distinguir las que se han rellenado con un gas inerte de aquellas en que se ha hecho el vacío en su interior. La presencia del gas supone un notable incremento de la eficacia luminosa de la lámpara dificultando la evaporación del material del filamento y permitiendo el aumento de la temperatura de trabajo del filamento. Las lámparas incandescentes tienen una duración normalizada de 1000 horas, una potencia entre 25 y 2000 W y unas eficacias entre 7.5 y 11 lm/W para las lámparas de vacío y entre 10 y 20 para las rellenas de gas inerte. En la actualidad predomina el uso de las lámparas con gas, reduciéndose el uso de las de vacío a aplicaciones ocasionales en alumbrado general con potencias de hasta 40 W. Lámparas halógenas de alta y baja tensión: En las lámparas incandescentes normales, con el paso del tiempo, se produce una disminución significativa del flujo luminoso. Esto se debe, en parte, al ennegrecimiento de la ampolla por culpa de la evaporación de partículas de wolframio del filamento y su posterior condensación sobre la ampolla. Agregando una pequeña cantidad de un compuesto gaseoso con halógenos (cloro, bromo o yodo), normalmente se usa el CH2Br2, al gas de relleno se le consigue establecer un ciclo de regeneración del halógeno que evita el ennegrecimiento. Cuando el tungsteno (W) se evapora se une al bromo formando el bromuro de wolframio (WBr2). Como las paredes de la ampolla están muy calientes (más de 260 ºC) no se deposita sobre estas y permanece en estado gaseoso. Cuando el bromuro de wolframio entra en contacto con el filamento, que está muy caliente, se descompone en W que se deposita sobre el filamento y Br que pasa al gas de relleno. Y así, el ciclo vuelve a empezar. El funcionamiento de este tipo de lámparas requiere de temperaturas muy altas para que pueda realizarse el ciclo del halógeno. Por eso, son más pequeñas y compactas que las lámparas normales y la ampolla se fabrica con un cristal especial de cuarzo que impide manipularla con los dedos para evitar su deterioro. Tienen una eficacia luminosa de 22 lm/W con una amplia gama de potencias de trabajo (150 a 2000W) según el uso al que estén destinadas. Las lámparas halógenas se utilizan normalmente en alumbrado por proyección y cada vez más en iluminación doméstica. Efecto Joule: En la mayoría de los casos, junto con la luz se genera también calor, siendo esa la forma más común de excitar los átomos de un filamento para que emita fotones y Página 21 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad alcance el estado de incandescencia. Normalmente, cuando la corriente fluye por un cable en un circuito eléctrico cerrado, disipa siempre energía en forma de calor debido a la fricción o choque que se produce entre los electrones en movimiento. Si la temperatura del metal que compone un cable se eleva excesivamente, el forro que lo protege se derrite, los alambres de cobre se unen por la pérdida del aislamiento y se produce un corto circuito. Para evitar que eso ocurra los ingenieros y técnicos electricistas calculan el grosor o área transversal de los cables y el tipo de forro aislante que deben tener, de forma tal que puedan soportar perfectamente la intensidad máxima de corriente en amperes que debe fluir por un circuito eléctrico. Cuando un cable posee el grosor adecuado, las cargas eléctricas fluyen normalmente y la energía que liberan los electrones en forma de calor es despreciable. Sin embargo, todo lo contrario ocurre cuando esas mismas cargas eléctricas o electrones fluyen a través de un alambre de metal extremadamente fino, como es el caso del filamento que emplean las lámparas incandescentes. Al ser ese alambre más fino y ofrecer, por tanto, más resistencia al paso de la corriente, las cargas eléctricas encuentran mayor obstáculo para moverse, incrementándose la fricción. A– Las cargas eléctricas o electrones fluyen normalmente por el conductor desprendiendo poco calor B– Cuando un metal ofrece resistencia al flujo de la corriente, la fricción de las cargas eléctricas chocando unas contra otras provocan que su temperatura se eleve. En esas condiciones las moléculas del metal se excitan, alcanzan el estado de incandescencia y los electrones pueden llegar a emitir fotones de luz. La transformación de energía eléctrica en lumínica se debe al “efecto Joule”. James Joule (1818-1889) estudió inicialmente la relación que existía entre trabajo, la electricidad y el calor. Posteriormente se centró en la relación existente entre la primera y la última de estas formas de energía (trabajo-calor: termodinámica). Cuando por un conductor circula corriente eléctrica parte de esa energía se transforma en energía térmica (calor) debido al choque de las partículas contra los átomos y moléculas del cuerpo. Si lo que se desea es el transporte de la electricidad, desde las zonas de producción a las de consumo, este efecto es perjudicial. Desde hace tiempo se están investigando materiales superconductores para reducir al mínimo las pérdidas de energía. Sin embargo, es útil en el caso del alumbrado por incandescencia, fusibles, estufas eléctricas, planchas, etc. Así, Joule obtiene que la energía eléctrica perdida y empleada en calentar el conductor es: Q= 0,24.V 2 .t R (Calor por efecto Joule) Página 22 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Como se deduce de la expresión matemática de la Ley de Joule, para una misma tensión a mayor resistencia menor calor desprendido. Otra cuestión a tener en cuenta es la temperatura del color. La Temperatura de color de una fuente de luz se define comparando su color dentro del espectro luminoso con el de la luz que emitiría un Cuerpo Negro calentado a una temperatura determinada. Por este motivo esta temperatura de color generalmente se expresa en kelvin, a pesar de no reflejar directamente una medida de temperatura. [El presente diagrama es una representación aproximada de los colores] Generalmente no es perceptible a simple vista, sino mediante la comparación directa entre dos luces como podría ser la observación de una hoja de papel normal bajo una luz de tungsteno (lámpara incandescente) y a otra bajo la de un tubo fluorescente (luz de día) simultáneamente. Por ello mismo, el material a utilizar como filamento debe poseer una temperatura del color adecuada para contar con una efectiva relación entre temperatura y radiación emitida. Algo de historia: El primer filamento empleado fue de platino pero no pasó de ser un producto de laboratorio. Esto fue consecuencia de su elevado precio y de que debía calentarse a temperaturas próximas a su punto de fusión para obtener una intensidad luminosa conveniente, lo que provocaba su rápida destrucción. Así Thomas A. Edison, en 1879, resuelve el problema empleando un filamento de carbono (hebras de bambú carbonizadas en una ampolla donde se había hecho el vacío). A partir de aquí las investigaciones se centran en la búsqueda de filamentos constituidos por materiales de mayores puntos de fusión para que la duración fuese más larga. En 1902, Welsbach lanza al mercado la primera lámpara con filamento metálico, la de osmio, que rápidamente fue sustituido, ya que era muy frágil y por tanto antieconómico. En 1907 se introduce el volframio, también conocido como tungsteno. Este elemento metálico presenta, entre otras, la ventaja de alcanzar inmediatamente el encendido normal (posee un coeficiente de resistencia muy pequeño), mientras el carbón disminuye su resistencia con el aumento de temperatura (coeficiente de resistencia negativo), lo que significa que según se calienta luce más hasta alcanzar el brillo normal. Detalle de la experiencia: se realiza dos agujeros en la tapa del frasco para pasar los electrodos (que son dos cortes de alambre, cuyas puntas inferiores se doblan en forma de gancho). Se pasan los electrodos, se los une con un trozo del cable de cobre Página 23 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad de unos 15 cm, enrollado previamente sobre uno de los alambres, y se sellan los agujeros con plastilina. Se enciende una vela y se la coloca dentro del frasco y se cierra la tapa para sellarlo y dejar que la vela consuma todo el oxígeno. A continuación, se conectan los electrodos con las terminales de la batería utilizando los cables con cocodrilos y se observa el fenómeno. TContenidos relacionados: conductores y aislantes, resistencia eléctrica de los distintos metales, cinética de partículas, transformación de energía, espectro electromagnético. hActividades de la experiencia Antes de la experiencia: 1- Describe una lamparita eléctrica (sus componentes). 2- ¿Cómo te parece que funciona? 3- ¿Qué hay dentro de la lamparita? Después de la experiencia: 1- ¿Por qué crees que es necesario sacar el oxígeno del frasco? 2- ¿Por qué se quema el filamento de cobre? 3- ¿Qué condiciones te parece que debería tener el metal del filamento para que eso no suceda? 4- ¿Cómo debe ser el metal del filamento para obtener un rendimiento óptimo? à Bibliografía – links: • www.wikipedia.org • Hewitt, Paul G. “Física conceptual”. Pearson 1999. Página 24 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad Imán y filamento de lámpara Tema: Fuerza magnética y corriente alterna. Objetivo de la experiencia: • • Comparar la potencia de distintos imanes. Relacionar la fuerza magnética con la corriente alterna. Nivel: Medio. Dificultad: Media Seguridad: Ser cuidadoso al manipular la lámpara y al encenderla. Tiempo estimado: vCantidad de integrantes por grupo: A criterio del docente. #Materiales a utilizar de la valija: Lupa e imán. #Otros materiales: Lámpara de 25W o -mejor aún- de 15W, cartulina o papel. Breve introducción al tema Magnetismo El fenómeno del magnetismo se conoce desde hace miles de años. Las manifestaciones conocidas más antiguamente son las que corresponden primero, a los imanes, que se encuentran naturalmente en la forma de algunos depósitos minerales, como la magnetita. Posteriormente, los chinos descubrieron el magnetismo terrestre, produciendo como resultado tecnológico la invención de la brújula y su posterior aplicación a la navegación marítima. El estudio sistemático de los fenómenos magnéticos comenzó hace algunos siglos, y encontrándose a Gauss entre los investigadores que realizaron contribuciones de importancia. En el siglo pasado, Oersted (cerca de 1820) descubrió que las corrientes eléctricas dan origen a efectos magnéticos, en particular, la corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto que es completamente equivalente al que produce un imán, siendo capaz de atraer objetos de fierro, deflectar una brújula, etc Un imán es un cuerpo o dispositivo con un campo magnético significativo, de forma que tiende a alinearse con otros imanes (por ejemplo, con el campo magnético terrestre). Tipos de imanes Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, bien mediante frotamiento con un imán Página 25 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad natural, bien por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente (electroimanación). Un electroimán es una bobina (o una espira) por la cual circula corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético isomórfico al de un imán de barra el imán se imanta. ¿De dónde procede el magnetismo? Fue Oersted quién evidenció en 1820 por primera vez que una corriente genera un campo magnético a su alrededor. En el interior de la materia existen pequeñas corrientes cerradas al movimiento de los electrones que contienen los átomos, cada una de ellas origina un microscópico imán. Cuando estos pequeños imanes están orientados en todas direcciones sus efectos se anulan mutuamente el material no presenta propiedades magnéticas; y en cambio si todos los imanes se alinean actúan como un único imán en ese caso decimos que la sustancia se ha magnetizado. Polos magnéticos Líneas de fuerza de un imán visualizadas mediante limaduras de hierro extendidas sobre una cartulina. Tanto si se trata de un tipo de imán como de otro la máxima fuerza de atracción se halla en sus extremos, llamados polos. Un imán consta de dos polos, denominados 'polo norte' y polo sur'. Polos iguales se repelen y polos distintos se atraen. No existen polos aislados (monopolo magnético), y por lo tanto, si un imán se rompe en dos partes, se forman dos nuevos imanes, cada uno con su polo norte y su polo sur, solamente que la fuerza de atracción del imán disminuye. Entre ambos polos se crean líneas de fuerza, siendo estas líneas cerradas, por lo que en el interior del imán también van de un polo al otro. Como se muestra en la figura, pueden ser visualizadas esparciendo limaduras de hierro sobre una cartulina situada encima de una barra imantada; golpeando suavemente la cartulina, las limaduras se orientan en la dirección de las líneas de fuerza. Detalle de la experiencia: Se enciende la lámpara de 25W y se la ubica entre el imán y la lupa, detrás de la cual se coloca la cartulina negra a modo de pantalla. Al acercar el imán a la lámpara incandescente encendida, el filamento vibra pues el campo del imán es continuo y la corriente es alterna. A simple vista esta vibración no Página 26 de 28 Cuadernillo de Actividades para el Docente- Valija de Electricidad puede observarse, por eso, con la ayuda de la lupa, se proyecta la imagen del filamento sobre una pared, papel o cartulina. De esta manera, el fenómeno puede ser observado por todos los que participen de la experiencia. La imagen proyectada sobre la pared (papel o cartulina) representará una onda. De acuerdo con la posición del imán, se observarán diferentes formas de ondas con vientres y nodos intermedios. Se sugiere realizar esta actividad con imanes que generen campos de distinta intensidad para poder apreciar varias formas de ondas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que un imán muy intenso puede romper el filamento. TContenidos relacionados: Formación de ondas estacionarias, distancia focal de la lupa, resistencia de los metales. hActividades de la experiencia Antes de la experiencia: 1) Describe un imán. ¿Cómo funciona? 2) Describe la lámpara. ¿De que material es el filamento de la lámpara? 3) ¿Qué te parece que sucederá cuando se acerque el imán a la lámpara? Después de la experiencia: à Bibliografía – links: - Rela, A, (2006), 100 Experimentos de Ciencias Naturales, Aique Educación. 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