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1 TEMA 9: Electricidad y magnetismo CRA Sexma de La Sierra. CIENcias NAtuRAles
Alumno/a
Aula
Curso escolar
Electricidad y magnetismo
En el tema 4 de Ciencias Naturales ya viste el año pasado (o lo verás el próximo) la importancia de la electricidad en la tecnología humana (¿recuerdas a Nicola Tesla y su motor?). Pero, ¿qué es la electricidad? ¿Qué relación tiene con el magnetismo? Eso, principalmente, es lo que verás en este tema.
La electricidad
Has visto también en el tema 8 que la electricidad es una de las formas o tipos de energía. Recuerda los tipos de energía: hay energía térmica, mecánica (cinética o potencial gravitacional), luminosa, química, eléctrica, magnética y nuclear. Y lo más importante: la energía se puede transformar de un tipo a otro.
La palabra electricidad, como tantas otras de las ciencias y la tecnología, proviene del griego. Ya en la antigüedad el filósofo y científico griego Tales de Mileto observó que si se frotaba un trozo de ámbar (resina fósil, en griego, elektrón), con cuero o lana, podía atraer pequeños objetos como hojas secas. Por eso, los científicos que en la Edad Moderna empezaron a investigar estos fenómenos tomaron la palabra electricidad del griego “elektron”.
(Clic para ver en Youtube)
Para entender la electricidad hay que entender los electrones. ¿Y qué son los electrones? Unas partículas muy pequeñas de la materia.
Toda la materia está formada por átomos. En las sustancias simples (oxígeno, hidrógeno, hierro, cobre…) los átomos son todos iguales, y diferentes de los de otras sustancias. Los átomos no se pueden ver al microscopio [puedes hacer clic en el dibujo de al lado para ir a “La escala de universo”], pero los imaginamos como pequeñas esferas. Aunque hace tiempo se les puso el nombre “átomos”, que significa “indivisibles”, están en realidad formados por otras partículas más pequeñas.
Los átomos tienen un núcleo formado por protones y neutrones. Ambos tienen masas parecidas. Los protones tienen, además, carga eléctrica positiva (+). Los neutrones no tienen carga. Alrededor del núcleo giran continuamente los electrones. Son partículas que también tienen masa, pero casi 2000 veces más pequeña, y tienen carga eléctrica negativa (-).
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¿Y qué importancia tienen los electrones? Muy sencillo. Mientras que los átomos no pierden ni atrapan fácilmente protones (y si lo hacen, se convierten en átomos de otro elemento diferente: es lo que sucede en la energía nuclear), con bastante facilidad pierden o atrapan electrones. Un átomo con el mismo número de protones y electrones no tiene carga eléctrica, ya que las cargas positivas y negativas están compensadas. Un átomo que ha atrapado electrones queda cargado negativamente. Un átomo que ha perdido electrones queda cargado positivamente. Los átomos cargados se llaman iones.
protones: 3 (litio)
electrones: 3 atomo neutro
protones: 10 (neón) electrones: 9
ión positivo (catión)
protones: 10 (neón) electrones: 11
ión negativo (anión)
En toda la materia a nuestro alrededor se da un continuo intercambio o movimiento de electrones. Por eso estamos rodeados de fenómenos eléctricos. La electricidad no es un “invento” de la humanidad, sino una forma de energía que se da en la naturaleza, desde los rayos de las tormentas hasta las corrientes eléctricas de nuestro sistema nervioso.
Carga eléctrica y electricidad estática
La carga eléctrica, por tanto, es *una propiedad que adquiere la materia cuando los átomos que la componen han perdido o ganado electrones. También se la conoce como electricidad estática.
Los objetos con cargas del mismo signo (positivas / positivas; negativas / negativas) se repelen. Los que tienen cargas de distinto signo (positivas / negativas) se atraen.
Es lo que sucede, por ejemplo, al frotar el pelo con un globo, o con el plástico de un tobogán. El pelo pierde electrones y, por tanto, queda cargado negativamente. Unos pelos repelen a otros al tener cargas del
mismo signo.
Y también sucede cuando el globo (cargado negativamente, con electrones) atrae los pelos (cargados positivamente, ya
que han perdido electrones).
Ahora podrías explicar cada uno de los fenómenos que has experimentado y grabado en vídeo en la actividad inicial. Todos se explican por las cargas eléctricas o electricidad estática.
La relación entre la electricidad estática y las nubes de tormenta fue demostrada en 1750 por el
norteamericano Benjamin Franklin, en experimentos bastante arriesgados. Eso le llevó a la
invención del pararrayos.
(Clic para ver en Youtube)
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La corriente eléctrica.
* La corriente eléctrica consiste en el movimiento de los electrones a través de un material conductor.
Los electrones tienden a pasar de un cuerpo cargado negativamente a un cuerpo cargado positivamente. Si se acumulan en cantidad suficiente, pueden saltar incluso a través del aire, produciendo esas pequeñas “chispas” que conoces, y que son aire muy caliente.
Entre las nubes de tormenta y la superficie terrestre hay una gran diferencia de carga: la carga de la nube es positiva y la terrestre negativa. Se produce en un breve instante un movimiento de las cargas eléctricas a través del aire.
Ese movimiento de cargas es una corriente eléctrica: el rayo. La cantidad de cargas eléctricas que se mueven en un rayo es enorme, su energía total no tanta
como se cree. Con su electricidad se podrían iluminar millones de hogares, …pero solo una fracción de segundo.
Entre los dos polos de una batería o una pila hay una diferencia de carga. Si los unimos mediante un cable metálico, las cargas se mueven de un lado a otro. Si unes los dos polos de la pila, aunque no coloques ningún elemento de consumo (lámpara, motor…) al cabo de un tiempo la pila se habrá descargado.
Normalmente, si los cuerpos con cargas opuestas no están en contacto directo, los electrones solo pueden pasar de uno a otro lado si esos cuerpos se unen con un material de los que llamamos conductores.
* Materiales conductores son aquellos a través de los cuales pueden circular fácilmente los electrones. Son conductores los metales en general, disoluciones que contienen sales (incluida el agua del grifo, ¡cuidado!), algunos materiales no metálicos (el grafito), el cuerpo humano...
Entre los materiales conductores los hay que ofrecen más o menos resistencia al paso de los electrones. Algunos que ofrecen mucha resistencia se calientan hasta el punto de trasformar en luz o calor la mayor parte de la energía eléctrica. Por eso se usan para los filamentos en las lámparas (luz) o las resistencias de una estufa, una cocina o un secador de pelo (calor). Los que ofrecen poca resistencia se usan en instalaciones eléctricas. El más común es el cobre.
* Materiales aislantes son aquellos a través de los cuales no pueden circular los electrones. Son aislantes los plásticos, la madera, el caucho, el vidrio... En las instalaciones eléctricas se usan para recubrir los cables conductores y evitar así contactos y descargas eléctricas.
Comprobando con nuestro generador eléctrico materiales conductores y aislantes.
(CRA Sexma de La Sierra, 2016)
(Clic en la imagen para ver el vídeo)
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Efectos de la electricidad
¿Qué conseguimos cuando utilizamos una máquina eléctrica? Sencillamente, transformar la energía eléctrica en otra forma de energía. Principalmente, una de estas:
La electricidad se transforma en…
luz En bombillas, tubos fluorescentes y LEDs.
Pero también en aparatos de televisión, pantallas de ordenadores, tabletas, móviles…
calor Radiadores eléctricos, calentadores, secadores,
cocinas…
sonido Receptores de radio, reproductores de discos y de CD,
aparatos de televisión, ordenadores, tabletas, móviles, MP3…El sonido es en realidad energía mecánica (vibración del aire o de otras sustancias).
magnetismo Máquinas que llevan electroimanes, como las grúas para
separar metales en la chatarra, o los impresionantes trenes de levitación magnética de Japón.
movimiento Máquinas, grandes o pequeñas, que llevan motores
eléctricos:
Automóvil, lavadora, lavavasos, taladro eléctrico, juguetes, robots, grandes máquinas en todo tipo de industrias…
Por tanto, todas estas formas o tipos de energía (luminosa, térmica, magnética, mecánica) pueden ser efectos de la electricidad.
A su vez, la electricidad, como has visto al aprender sobre las centrales eléctricas en el tema de la energía, se puede obtener a partir de otros tipos de energía:
De la energía luminosa De la luz, en las centrales fotovoltaicas.
De la energía térmica Del calor del sol, en las centrales solares térmicas.
Del calor desprendido de los combustibles fósiles en las centrales térmicas.
Del calor producido por minerales radiactivos, en las centrales nucleares.
De la energía mecánica Así en todas las centrales que usan turbinas (hidroeléctricas, térmicas, solares térmicas, nucleares, eólicas…)
Además electricidad y magnetismo están muy relacionados, como veremos al final de este tema.
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El magnetismo
* El magnetismo es la propiedad que tienen algunos materiales de atraer el hierro. A estos materiales se los denomina imanes.
En la naturaleza hay algunos materiales con propiedades magnéticas. Se los llama imanes naturales. Por ejemplo, la magnetita. Hay también imanes artificiales: el hombre los crea a partir de metales como hierro, cobalto, níquel, neodimio…
La roca llamada magnetita se encontraba en abundancia en Magnesia, una región de la antigua Grecia. De ahí el nombre de magnetismo. Así que, electricidad y magnetismo, ¡los dos nombres nos vienen de Grecia!
Todo imán tiene dos polos y ejerce una influencia sobre el espacio que lo rodea, formando un campo magnético con unas curvas llamadas líneas de fuerza. Los polos son los extremos del imán, en los que la fuerza se manifiesta con mayor intensidad. Puedes ver el campo magnético de un imán extendiendo limaduras de hierro sobre papel, cartulina o cristal y moviendo un imán por debajo.
Los polos se llaman Norte (N) y Sur (S). El polo Norte se suele pintar de rojo, y el Sur, de color azul o blanco. Las fuerzas de un imán son de atracción o de repulsión: los polos de distinto signo se atraen; los del mismo signo se repelen.
El magnetismo terrestre
La Tierra, debido a su núcleo de hierro y níquel, y a la rotación, se comporta como un gigantesco imán. Crea un campo magnético a su alrededor, tiene un polo Norte magnético y un polo Sur magnético, por eso atrae a la aguja de la brújula. Como el polo Norte geográfico terrestre coincide con el polo Sur magnético, el polo Norte de la brújula se orienta hacia allí.
polo Norte geográfico = polo Sur magnético polo Sur geográfico = polo Norte magnético
Aplicaciones del magnetismo
Los imanes tienen muchas aplicaciones tecnológicas. Por ejemplo:
Las brújulas: detectan el campo magnético terrestre y se orientan debido a su influencia.
Almacenamiento de información: con pequeñas partículas magnéticas se almacena información digital (discos duros, pendrives, tarjetas de memoria, tiques, carnés, tarjetas de crédito…)
Pero su principal aplicación viene de la combinación de magnetismo y electricidad, en los dispositivos que llamamos electromagnéticos.
S
N
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Electromagnetismo
Magnetismo y electricidad están muy relacionados. Esta relación la podemos ver sobre todo en estos tres dispositivos:
1. EL ELECTROIMÁN: la electricidad produce magnetismo.
* Un electroimán es un dispositivo que transforma un objeto de hierro o acero en un imán cuando pasa alrededor de él la corriente eléctrica. Cuando la corriente deja de pasar, el campo magnético cesa, y el hierro deja de ser imán.
Los electroimanes son, por tanto, imanes temporales. Esta característica los hace útiles en mecanismos como frenos, embragues, partes de motores, grúas magnéticas, trenes de raíles magnéticos….
2. EL GENERADOR: el magnetismo induce electricidad.
Si tu bicicleta lleva un foco de luz, tiene un dispositivo que la alimenta de corriente. Es el generador, y va pegado a la rueda.
* Un generador es un dispositivo que utiliza el magnetismo para transformar la energía mecánica (energía del movimiento, cinética) en electricidad.
El movimiento rotatorio producido por la energía mecánica se transmite a un eje. El movimiento del eje hace girar un imán sobre una bobina de metal conductor. El campo magnético del imán produce (“induce”) una corriente eléctrica en la bobina que es recogida por los cables conductores.
En las grandes centrales eléctricas el movimiento de las turbinas se transmite a un gran generador llamado alternador, que también lleva dentro imanes.
Cómo funciona un generador eléctrico.
(CRA Sexma de La Sierra, 2016)
(Clic en la imagen para ver el vídeo)
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3. EL MOTOR ELÉCTRICO: la electricidad produce cambios en los campos magnéticos.
La electricidad produce cambios en los campos magnéticos, y las fuerzas de atracción y repulsión cambiantes producen el movimiento de piezas metálicas. Por tanto, en el motor eléctrico se produce el proceso inverso del que se produce en el generador.
* Un motor eléctrico transforma la energía eléctrica en mecánica (cinética: movimiento), y para ello se sirve también del magnetismo.
En este caso, una corriente hace que gire un imán interno montado en el eje del motor o que gire el eje que lleva la bobina de metal conductor, por los cambios producidos por la corriente sobre los polos del imán. Este movimiento se trasmite a la máquina a la que hace funcionar.
Antes de utilizar un aparato o instalación eléctrica asegúrate de su perfecto estado.
No utilices cables dañados, enchufes rotos o aparatos defectuosos.
No tires de los cables de los enchufes para desconectar los aparatos.
No introduzcas los cables desnudos en ningún enchufe.
Las reparaciones eléctricas en casa es preferible que las haga un adulto, y, si son importantes, un profesional.
Pero si ayudas en cosas muy sencillas, por ejemplo, a cambiar una bombilla, asegúrate de que se desconecte primero el interruptor general, y de que nadie vaya a conectar la corriente mientras se realiza la reparación.
No toques nunca a una persona que esté bajo tensión eléctrica sin proveerte de un material aislante (ropa, guantes, madera, etc.).
No enchufes nunca aparatos que se hayan mojado.
Procura no usar ni tocar aparatos eléctricos estando descalzo, aunque el suelo esté seco.
Recuerda: algunas medidas que puedes tener en cuenta para prevenir un riesgo eléctrico:
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