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El átomo
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2.
La naturaleza eléctrica de la materia
Los fenómenos observados por Cisternay du Fay y Benjamin
Franklin se deben a la electricidad estática y que se explican, a su
vez, por la naturaleza eléctrica de la materia. El objetivo de este
epígrafe es que los alumnos conozcan algunos de los métodos de
electrización de la materia para que lleguen a la conclusión de que
la materia es divisible y sean capaces de explicar la relación que
existe entre las cargas eléctricas y la constitución de la materia.
Asimismo, se pretende que los alumnos valoren la importancia
de la contribución del estudio de la electricidad estática al conoci-
miento de la estructura de la materia.
2.1.
Los fenómenos de electrización
La mayoría de los alumnos están familiarizados con los fenómenos
asociados a la electricidad estática, por lo que se puede iniciar este
epígrafe pidiéndoles que relacionen y describan algunos de estos
fenómenos. Para que den respuesta a las cuestiones motivadoras
conviene que realicen la experiencia de la regla (o bolígrafo) de
plástico y los trocitos de papel. La experiencia con el péndulo eléc-
trico es también fácil de realizar tanto si se utiliza uno de los que
existen en el mercado como uno construido por los propios alum-
nos. Hay que tener en cuenta que los experimentos relacionados
con la electricidad estática no se realizan bien los días húmedos.
Enlace web (simulación):
FENÓMENOS DE ELECTRIZACIÓN
Se puede seleccionar hacer la experiencia con una varilla de vi-
drio o de plástico. Hay que descargar la bolita del péndulo para
reiniciar la experiencia. Con el ratón se acerca la varilla cargada
positivamente en el caso del vidrio o negativamente en el caso del
plástico a la bolita del péndulo, primero sin tocarla y a continua-
ción haciendo que entren en contacto.
Presentación:
ELECTRIZACIÓN DE LA MATERIA
Presentación de una diapositiva en la que se explica la electriza-
ción de la materia.
Presentación:
MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN: POR CONTACTO
Presentación de dos diapositivas en la que se explica el procedi-
miento para comprobar la electrización de la materia por contac-
to mediante un electroscopio.
Presentación:
MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN: POR INDUCCIÓN
Presentación de dos diapositivas en la que se explica el procedi-
miento para comprobar la electrización de la materia por induc-
ción mediante un electroscopio.
Se debe insistir en que la carga eléctrica no es algo ajeno a la
materia, sino que forma parte de su naturaleza, aunque los fe-
nómenos electrostáticos solo se pongan de manifiesto cuando se
produce un desequilibrio en el número de cargas de cada tipo.
También se debe hacer hincapié en que el hecho de que un cuer-
po se electrice positiva o negativamente se debe tan solo a que ha
perdido o ganado cargas negativas, respectivamente.
Para que los alumnos se hagan una idea de lo grande que es la
unidad de carga eléctrica, el
culombio,
se les puede comentar
que los rayos que se producen en las tormentas pueden transmitir
a tierra cargas de unos 20 C por rayo, mientras que la descarga
que recibimos al tocar un objeto metálico como la carrocería de
un vehículo transporta millonésimas partes de un culombio.
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65
3. Elátomo
3
+
www
❚
La materia está formada por
átomos.
❚
Cuando se frotan
determinados materiales
se producen fenómenos
eléctricos.
2.
LA NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
En el siglo
VI
a.C.,
Tales de Mileto
sabía que, cuando se frota un paño de lana con un
trozo de ámbar, ambos son capaces de atraer materiales muy ligeros, como plumas o
cabellos.Estefenómenosedenominó
electricidad
(
elektron,
«ámbar»).Posteriormente,
CisternayduFay
(1698-1739) y
BenjaminFranklin
(1706-1790)describieron laexis-
tenciade
dos tiposde cargaseléctricas
yestudiaron los fenómenosdeelectrización.
2.1.
Los fenómenos de electrización
¿Qué ocurre si frotas una regla de plástico con la manga de tu jersey de lana y
lo acercas a unos trocitos de papel?
Comopuedesobservaren las fotografías,si frotamosuna regladeplásticoconun tejido
de lana y, a continuación, lo acercamos a unos trozos de papel, estos serán atraídos
por la regla.
¿Por qué crees que ocurre esto?
Si ahora frotamos una varilla de vidrio con un pañuelo de
seda y la acercamos a un
péndulo eléctrico
(construido con
una bolita de espuma de poliestireno), observaremos que,
inicialmente,elpénduloesatraídopor lavarilla,peroalentrar
en contacto con ella, la bolita de poliestireno es repelida por
la varilla.
❚
¿Por qué crees que en este caso la bolita de poliestireno es repelida cuando
entra en contacto con el vidrio?
❚
¿Qué nos ocurre, en algunas ocasiones, al ponernos o quitarnos una prenda
de vestir fabricada con fibras sintéticas?
Los fenómenos de electrización se justifican mediante una propiedad de la materia
denominada
carga eléctrica.
La
cantidad de carga eléctrica,
Q,
es una magnitud física y su unidad en el SI es
el
culombio (C).
Así, concluimos que:
❚
En lamateriaexistendos tiposdecargaseléctricasdenominadas,de formaarbitraria,
negativa y positiva.
❚
Un cuerpoeseléctricamenteneutro cuandoelnúmerode cargaspositivases igualal
número de cargas negativas.
❚
Un cuerpo solopuedeadquirir cargaeléctrica cuando
ganaopierde cargasnega-
tivas.
Así, un cuerpo eléctricamente neutro que
pierde cargas negativas
se trans-
forma en un
cuerpo cargado positivamente,
y uno que
gana cargas negativas
se convierte en un
cuerpo cargado negativamente.
❚
Dos cuerpos con
cargasdelmismo tipo se repelen,
mientrasque si tienen
cargas
de distinto tipo se atraen.
2.2.
Electrones y protones
Los fenómenos de electrización y los relacionados con la corriente eléctrica, conocidos
a finales del siglo
XIX
, pusieron de manifiesto que el
átomo es divisible
y que está
formado por partículas más pequeñas que tienen carga eléctrica.
¿Cuáles crees que son estas partículas?
A finales del siglo
XIX
y comienzos del
XX
, varios científicos realizaron diferentes experi-
mentos con tubosde vidrio, comoeldeldibujo,que conteníanungasabajapresiónal
que se sometía a descargas eléctricas de alto voltaje.
Ideas claras
❚
El átomo es
divisible.
❚
Elátomocontiene
cargaspo-
sitivas
y
negativas.
❚
El
electrón
es la partícula ne-
gativa del átomo y el
protón
es la positiva.
❚
El
valor numérico de la car-
ga
delprotónydelelectrónes
el mismo.
❚
Un
átomo neutro
tiene el
mismo número de protones y
electrones.
¿Cuántasvecesesmayor la cargadelprotónque ladelelectrón?¿Y lamasa?
Solución:
1838 veces mayor
¿Qué tienen en común el protón y el electrón? ¿Qué les diferencia?
Sabiendo que la carga del electrón es 1,602
⋅
10
−
19
C, ¿cuántos electrones son
necesariospara teneruna cargade1C?
Solución:
6,242
⋅
10
18
electrones
¿Cuántoselectrones tieneenexcesoun cuerpo cuya cargaes
−
2C?¿Cuántos
electrones le faltan a un cuerpo cuya carga es
+
2C?
8
9
10
11
Estasexperienciaspermitierona
J. J.Thomson
(1856-1940) identificar lapartícula res-
ponsable de la
carga eléctrica negativa,
el
electrón,
y a
E. Goldstein
(1860-1930),
lapartícula responsablede la
cargaeléctricapositiva,
el
protón.
Asimismo, sirvieron
para determinar los valores numéricos de sus cargas eléctricas y sus masas.
Electrón
Protón
Carga
Negativa
Positiva
Carga eléctrica
−
1,602 · 10
−
19
C
1,602 · 10
−
19
C
Masa
9,109 · 10
−
31
kg
1,673 · 10
−
27
kg
Descubrimiento
J. J. Thomson, 1897
E. Goldstein, 1886
La carga del electrón es la más pequeña que existe, y por eso recibe el nombre de
car-
ga eléctrica elemental.
Observa que, en valor absoluto, es decir, sin tener en cuenta el signo, la carga del elec-
trón es la misma que la del protón. Por tanto, podemos afirmar que en un
cuerpo
eléctricamenteneutro
elnúmerodeelectronesdebe ser igualalnúmerodeprotones.
Ya hemos identificado las partículas elementales electrón y protón. ¿Cómo
están situadas en el átomo?
La respuesta nos la dan los diferentes
modelos atómicos
que los científicos han ido
describiendo a lo largo del siglo
XX
.
+
–
Ánodo
Cátodo
Tubo
de vidrio
Hazdepartículas
negativas (electrones)
Generador
Tubodedescargadegases.
Identifica la trayectoria que siguen los electrones en un tubo de descarga.
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