Bloque IV. Manifestaciones de la estructura interna de la materia.

3. Los fenómenos electromagnéticos.

Tema

Subtema

3.1 La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos.

Aprendizajes esperados Al final del estudio del subtema, el alumno • • • • • •

Analiza el proceso histórico que llevó al descubrimiento del electrón. Analiza la función del electrón como portador de carga eléctrica. Analiza y contrasta las ideas y experimentos que permitieron el descubrimiento de la corriente eléctrica. Reinterpreta los aspectos analizados previamente sobre la corriente eléctrica con base en el movimiento de los electrones. Describe la resistencia eléctrica en función de los obstáculos al movimiento de los electrones en los materiales. Clasifica materiales en función de su capacidad para conducir la corriente eléctrica.

Actividad de inicio del tema.

Tiempo estimado: 20 min.

o Comentar los aprendizajes esperados del subtema “La corriente eléctrica en los fenómenos cotidianos”. o Establecer los productos y criterios a evaluar en cada una de las actividades que se van ir desarrollando. o Todos los productos que se elaboren formarán parte del portafolios que ayuden a la elaboración y desarrollo del proyecto. Actividades de desarrollo. Actividad 1. Tiempo estimado: 120 min. ¡Un viaje a través del tiempo! Formar equipos de 4 a 5 integrantes y leer la lectura Historia: modelos atómicos. Dibujar y construir un modelo que describa las características y componentes fundamentales de cada uno de los diferentes modelos de la materia que se han desarrollado a lo largo de la historia de la ciencia. Explicar al resto del grupo señalando sus características, revisar tu cuaderno o los trabajos del portafolios para recuperar los antecedentes de las experiencias de la estructura de la materia que se trabajo en el bloque II del subtema: 4.1 ¿Cómo por acto de magia? Los efectos de las cargas eléctricas. El estudio del subtema permitió un acercamiento a la electricidad desde una perspectiva macroscópica y ahora a nivel microscópico y del bloque III, como son: subtemas 2.1 ¿Un modelo para describir la materia? y 2.2 La construcción de un modelo para explicar la materia.

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Historia: modelos atómicos Desde la Antigüedad, el ser humano se ha cuestionado de qué estaba hecha la materia y por lo mismo el modelo de la materia que imperó fue el de los elementos básicos de Aristóteles: aire, fuego, agua y tierra; además del éter del cuál estaban compuestas todas las sustancias del mundo terrestre y etéreo. Unos 400 años a. n. e; el filósofo griego Demócrito consideró que la materia estaba constituida por pequeñísimas partículas que no podían ser divididas en otras más pequeñas y las llamó a estas partículas átomos, que en griego quiere decir "indivisible". Demócrito atribuyó a los átomos las cualidades de ser eternos, inmutables e indivisibles. Sin embargo las ideas de Demócrito sobre la materia no fueron aceptadas por los filósofos de su época y hubieron de transcurrir cerca de 2200 años para que la idea de los átomos fuera tomada de nuevo en consideración.

John Dalton 1808 En 1808, Dalton publicó sus ideas sobre el modelo atómico de la materia las cuales han servido de base a la química moderna. Los principios fundamentales de esta teoría son:

La materia está formada por minúsculas partículas indivisibles llamadas átomos. Hay distintas clases de átomos que se distinguen por su masa y sus propiedades. Todos los átomos de un elemento poseen las mismas propiedades químicas. Los átomos de elementos distintos tienen propiedades diferentes. 3. Los compuestos se forman al combinarse los átomos de dos o más elementos en proporciones fijas y sencillas. De modo que en un compuesto los de átomos de cada tipo están en una relación de números enteros o fracciones sencillas. 4. En las reacciones químicas , los átomos se intercambian de una a otra sustancia, pero ningún átomo de un elemento desaparece ni se transforma en un átomo de otro elemento. 1. 2.

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Joseph John Thomson 1897 Por los experimentos que se habían realizado ya se tenían conocimiento de las cargas eléctricas, sus tipos y comportamiento. Descubrimientos experimentales Leer la siguiente metáfora para entender el experimento que realizó Thomson

Un sultán ofrece la mano de su hija al príncipe que descubre en cuál de tres pasteles está escondido un gran diamante. La única condición es no partirlos. El que falle lo pagará con su vida. Ningún pretendiente se atreve a adivinar hasta que llega un experto tirador de darlos. Al atravesar cada pastel con dardos, sólo en uno de ellos un dardo rebotaría: ahí estaría el diamante escondido. La primera evidencia de la existencia de partículas subatómicas y por tanto de que los átomos no eran indivisibles como postulaba la teoría atómica de Dalton, se obtuvo de los estudios de la conductividad eléctrica de gases a bajas presiones. Los gases son aislantes para voltajes bajos, sin embargo, frente a voltajes elevados se vuelven conductores. Cuando en un tubo de vidrio que contiene un gas se hace parcialmente el vacío y se aplica un voltaje de varios miles de voltios, fluye una corriente eléctrica a través de él. Asociado a este flujo eléctrico, el gas encerrado en el tubo emite unos rayos de luz de colores, denominados rayos catódicos , que son desviados por la acción de los campos eléctricos y magnéticos. Mediante un estudio cuidadoso de esta desviación, J. J. Thomson demostró en 1897 que los rayos estaban formados por una corriente de partículas cargadas negativamente, que llamó electrones.

La identificación por J.J. Thomson de unas partículas subatómicas cargadas negativamente, los electrones, a través del estudio de los rayos catódicos, y su posterior caracterización, le llevaron a proponer un modelo de átomo que explicara dichos resultados experimentales. Se trata del modelo conocido informalmente como el pudín de pasas, según el cual los electrones eran como 'pasas' negativas incrustadas en un 'pudín' de materia positiva.

E. Rutherford 1911 Los experimentos llevados a cabo en 1911 bajo la dirección de Ernest Rutherford modificaron las ideas existentes sobre la naturaleza del átomo. Rutherford y sus colaboradores bombardearon una fina lámina de oro con partículas alfa (núcleos de helio) procedentes de un elemento radiactivo. Observaban, mediante una pantalla fluorescente, en qué medida eran dispersadas las partículas. La mayoría de ellas atravesaba la lámina metálica sin cambiar de dirección; sin embargo, unas pocas eran reflejadas hacia atrás con ángulos pequeños.

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Éste era un resultado completamente inesperado, incompatible con el modelo de átomo macizo existente. Mediante un análisis matemático de las fuerza s involucradas, Rutherford demostró que la dispersión era causada por un pequeño núcleo cargado positivamente , situado en el centro del átomo de oro. De esta forma dedujo que la mayor parte del átomo es espacio vacío, lo que explicaba por qué la mayoría de las partículas que bombardeaban la lámina de oro, pasaran a través de ella sin desviarse.

Rutherford, basándose en los resultados obtenidos en sus experimentos de bombardeo de láminas delgadas de metales, estableció el llamado modelo atómico de Rutherford o modelo atómico nuclear. El átomo está formado por dos partes: núcleo y corteza. El núcleo es la parte central, de tamaño muy pequeño, donde se encuentra toda la carga positiva y, prácticamente, toda la masa del átomo. Esta carga positiva del núcleo, en la experiencia de la lámina de oro, es la responsable de la desviación de las partículas alfa (también con carga positiva). La corteza es casi un espacio vacío, inmenso en relación con las dimensiones del núcleo. Eso explica que la mayor parte de las partículas alfa atraviesan la lámina de oro sin desviarse. Aquí se encuentran los electrones con masa muy pequeña y carga negativa. Como en un diminuto sistema solar, los electrones giran alrededor del núcleo, igual que los planetas alrededor del Sol. Los electrones están ligados al núcleo por la atracción eléctrica entre cargas de signo contrario. En el siglo XVII, Isaac Newton demostró que la luz blanca visible procedente del sol puede descomponerse en sus diferentes colores mediante un prisma. El espectro que se obtiene es continuo; contiene todas las longitudes de onda desde el rojo al violeta. Cada elemento (es decir cada tipo de átomos) posee un espectro característico que puede utilizarse para identificarlo.

El modelo atómico de Rutherford no podía explicar estas emisiones discretas de radiación por los átomos. Se requería de un nuevo modelo en el cuál sus cargas eléctricas negativas tuvieran la posibilidad de acercarse o alejarse del núcleo atómico, pero que a la vez, cada punto pudiera ser una órbita como las descritas por Rutherford, es decir, estable. Además el modelo debería poder explicar dos hechos experimentales: 1. Para que una carga eléctrica se aleje del núcleo atómico, libera energía en forma de luz (los espectros). 2. Para que una carga eléctrica se acerca al núcleo atómico, requiere de energía, por lo que absorberá del medio.

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Niels Bohr 1913

El científico danés Niels Bohr, propuso un modelo atómico que explicaba estos hechos y predecía muchos más. Su modelo establecía diferentes niveles de energía para los electrones alrededor del átomo y los ponía a girar en diferentes planos. Presentar ante los demás sus modelos atómicos. El tiempo que tienen para ello es de 15 minutos. Poner atención a los demás equipos para hacer recomendaciones o precisiones en su presentación. Contrastar los diferentes modelos para señalar sus alcances y limitaciones en la explicación de fenómenos que se presentan. Elaborar conclusiones acerca de: • la importancia que tiene el desarrollo histórico de las ideas acerca del átomo y del electrón, a través de representaciones que se realizan por medio de modelos. • El avance de la ciencia y lo inacabado del conocimiento científico. Actividad 2. Tiempo estimado: 60 min. ¿Corriente? Elaborar una línea del tiempo con los aspectos importantes de los experimentos acerca de la corriente eléctrica. El descubrimiento de la corriente eléctrica En Europa a mediados del siglo XVIII, se realizaron experimentos para estudiar la electricidad que se producía en algunos animales. Luigi Galvani se percato, que las patas de las ranas se contraían al sacar chispas de la máquina eléctrica y tocar simultáneamente los nervios musculares con el bisturí. Investigando el hecho, Galvani pudo comprobar que la condición característica del fenómeno era un arco conductor formado por dos metales y unido por sus extremidades libres con el nervio o músculo de la rana, dando así un circuito completo. Alessandro Volta, en las reproducciones que realizó del experimento de Galvani enc ontró que los nervios de las ranas no son, precisamente, los causantes de producir los fenómenos eléctricos que se habían detectado y hemos descrito: dos metales y el músculo son suficientes para producir el efecto. Ese descubrimiento primario de Volta lo llevó a remplazar con trapos mojados el contacto de músculos de rana del experimento de Galvani. En ese momento estaba virtualmente creada la fuente primaria de corriente eléctrica continua. Con dos metales y un trapo húmedo, se creaba la pila eléctrica. Con ello, se da partida a las búsquedas sistemáticas que revelarán una tras otra las propiedades electrolíticas, térmicas y magnéticas de la corriente eléctrica. Los ingleses William Nicholson y Anthony Carlisle descomponen el agua con la corriente de la pila y observan la formación del oxigeno y del hidrógeno liberados por ella. Thomas Seebeck (1770-1831) tropieza con el fenómeno de las corrientes térmicas: pone de manifiesto que en un circuito compuesto por dos metales diferentes se produce corriente cua ndo las dos soldaduras no están a la misma temperatura. El relojero francés Jean Athanase Peltier (1785-1845) descubre el fenómeno recíproco, el cambio de temperatura que el pasaje de la corriente provoca en un circuito bimetálico. El invento de Volta, favoreció un actual desarrollo tecnológico que permite gozar de beneficios en la actualidad. ¡Pila corriente!

Tiempo estimado: 30 min.

Construir un dispositivo de una pila casera para obtener una corriente eléctrica a partir de una reacción química.

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Material: • Un vaso • Una botella de vinagre • Un trozo de tubo de cobre (de las que se usan para las conducciones de agua) • Un sacapuntas metálico • Cables eléctricos • Un reloj despertador de los que funcionan con pilas. Procedimiento: • • •

El trozo de tubo de cobre y el sacapuntas son los electrodos. El electrolito que se va a utilizar es vinagre. Introducir los electrodos en el interior del vinagre contenido en un vaso y unir un cable a cada uno de ellos (tal como muestra la figura) Para hacerla funcionar sólo tienes que unir los dos cables que salen de los electrodos al reloj despertador.

Explicar que sucede en el experimento con base en el modelo atómico de Bohr y realizar un dibujo que ejemplifique el fenómeno. Recupera tus conocimie ntos de temas anteriores para argumentar en la situación práctica. Elaborar conclusiones con respecto a la importancia que tuvo los experimentos en el descubrimiento de la corriente eléctrica y la aplicación en nuestras actividades. ¿No se ven pero se mueven?

Tiempo estimado: 40 min.

Electrolisis

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Formar equipos nuevos de 4 a 5 integrantes. Explicar que sucede en la descomposición del agua con sus elementos por el paso de la corriente eléctrica. Es importante recurrir al modelo atómico para inferir que sucede microscópicamente. Material • • • • • •

2 minas de lápiz. Una pila de 9 voltios. Dos cables de unos 25 cm con los extremos pelados. Un recipiente de aproximadamente 10 cm de ancho por 15 cm de alto. Agua. Sal o jugo de limón.

Procedimiento • Armar el aparato que se muestra en la figura. • Llenar con agua el recipiente, agregar una o dos cucharadas de sal o un medio limón y agitar hasta disolver. • Conectar los cables a las minas de lápiz. • Colocar los otros extremos libres de los cables a los respectivos polos de la pila figura.

Pila

Minas de lápiz

Agua + Sal

Comentar con los alumnos el proceso electrolítico: • Se funde o se disuelve el electrolito en un determinado disolvente, con el fin de que dicha sustancia se separe en iones (ionización). • Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de cables conectados a una fuente de corriente eléctrica y sumergidos en la disolución. El cable conectado al polo negativo se conoce como cátodo, y el conectado al positivo como ánodo. • Cada cable atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones positivos, o cationes, son atraídos al cátodo, mientras que los iones negativos, o aniones, se desplazan hacia el ánodo. • La energía necesaria para separar a los iones e incrementar su concentración en los electrodo es aportada por la fuente de alimentación eléctrica. • En los cables se produce una transferencia de electrones entre estos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al ánodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del cátodo (-). Explicar el proceso electrolítico a partir del modelo atómico para reconocer las causas que se presentan. Elaborar una representación que permita explicar lo anterior.

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Elaborar tu opinión acerca de la importancia de estos conocimientos en actividades cotidianas y proporcionar ejemplos de donde se aplica.

¡Se te enciende el foco!

Tiempo estimado: 30 min.

Formar equipos de 4 a 5 integrantes y construir un circuito para analizar el efecto del movimiento de las cargas eléctricas en los materiales que forman parte del circuito. Recuperar la información que cuentan del bloque II y de las actividades anteriores. Material Foco de 1.2 V. Alambre de cobre. Pila.

Elaborar un dibujo que represente a nivel micro el movimiento de los electrones en el circuito, utilizando el modelo atómico. Explica, ¿por qué enciende el foco? Escribir conclusiones con respecto a la importancia de la corriente eléctrica en las actividades cotidianas y dar ejemplos de su aplicación en nuestra casa y en otros espacios que frecuentemos. Actividad 3.

Tiempo estimado: 60 min.

¿Quién opone resistencia? Describir las causas de la resistencia eléctrica en algunos materiales Cualquier material, por muy buen conductor que sea, presenta oposición a la corriente eléctrica. Esta oposición se debe al mismo movimiento continuo de los átomos dentro del material, lo que provoca que los electrones choquen continuamente y pierdan energía. La resistencia eléctrica es la oposición al paso de la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica se representa con la letra R. En el Sistema Internacional su unidad es el ohm, que se representa por la letra griega omega (Ω ). La resistencia eléctrica depende, principalmente, de cuatro factores: El diámetro del conductor La longitud del conductor El material con que está hecho La temperatura a la que se encuentra Por el momento, supongamos que mantenemos la temperatura constante y vamos a analizar los otros tres factores. Elaborar una explicación de lo que sucede en los materiales, a través del uso del modelo atómico por medio de dibujos en la tercera columna de la siguiente analogía que se presenta.

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Factor Área transversal (A)

Longitud (L)

Material (su resistividad p)

Analogía de la corriente eléctrica con la circulación del agua. Agua Electrones Un tubo grueso deja pasar más agua que Un alambre grueso deja pasar más uno delgado. corriente que uno delgado. b) a)

Mientras más ancho, menor resistencia: a) Agua. B) Electrones. Si el tubo muy largo, se pierde mucho más Un alambre más largo presenta una mayor energía cinética que si es corto. resistencia eléctrica. a) b)

Mientras más corto, menor resistencia: a) Agua. B) Electrones Supón que tomas dos tubos iguales, pero La resistencia depende de la clase de uno lo rellenas de arena. El agua necesitará material. mucho más presión para pasar por el tubo b) con arena. a) Sin arena Plata

Cobre Con arena

Cobre a) La arena impide el paso del agua

Madera

Cobre

b) Materiales como el plástico o la madera impiden el paso de electrones.

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Formar equipos nuevos de 4 a 5 integrantes y realizar las siguientes actividades: A) Ancho/Delgado Material: 1 Frasco de vidrio de boca ancha 1 Frasco de vidrio de boca pequeña 1 Caja de 100 clips del No. 2 Procedimiento: Introducir en el frasco de boca pequeña 50 clips y en otro frasco de boca ancha los otros 50 clips. Verter los clips de ambos frascos al mismo tiempo. Observar que sucede en cada caso. Contestar a la pregunta: ¿En cuál de los frascos los clips salen con mayor facilidad? ¿Por qué? B) Largo/Corto Material: Manguera de 30 cm de longitud y 2 cm de diámetro Manguera de 15 cm de longitud y 2 cm de diámetro 30 clips del No. 2 Procedimiento: Introducir 15 clips en cada manguera y sostenerla con el otro extremo hacia arriba. Verter al mismo tiempo las dos mangueras y observar que sucede en cada una. Contestar a la pregunta: ¿En cuál de las dos mangueras salen con mayor facilidad los clips? ¿Por qué? C) Liso/Áspero Material: Manguera de 30 cm de longitud y 2 cm de diámetro Manguera para instalación eléctrica corrugada de 30 cm de longitud y 2 cm de diámetro 200g de Arena Procedimiento: Introducir 100g de arena en cada manguera y sostenerlas con el otro extremo hacia arriba. Verter al mismo tiempo las mangueras. Observar que sucede con la arena en cada manguera. Contestar a la pregunta: ¿En cuál de las mangueras fue mas fácil la salida de la arena? ¿Por qué? Establece una analogía con los clips y la arena con los electrones en las tres situaciones anteriores para determinar, ¿cuáles son las variables que están presentes en la resistencia eléctrica? Por lo anterior, la resistencia eléctrica se relaciona con el largo, área transversal y material del cuerpo, mediante la siguiente fórmula: L R = p ----A Resistividad (longitud) Resistencia = -------------------------------Área

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Reflexionar acerca de que en una variación de la temperatura, los materiales, en general, presentan más resistencia mientras más calientes están. Al estar caliente el material, el movimiento es mayor de los átomos y chocan con los electrones y restan energía a éstos. Cuando los materiales se llegan a enfriar a temperaturas cercanas al cero absoluto, se presenta la superconductividad, debido a que sus átomos prácticamente dejan de moverse, dejando a los electrones el paso libre, ya que el material presenta resistencia cero. Elaborar conclusiones. ¡Buenos y malos!

Tiempo estimado: 30 min.

Clasificar algunos materiales en función del paso de corriente eléctrica. Material Pedazo de madera. Regla de plástico. Clavo. Tornillo. Pila de 9 V. Foco de bajo voltaje. Alambres

Procedimiento Conectar la pila al foco con un alambre.

Conectar el otro pedazo de alambre al foco y otro más a la pila; deja los extremos de dichos alambres libres (como se muestra en la Figura. Probar que tu circuito esté bien conectado, uniendo las puntas de los alambres libres: el foco deberá prender. Si no enciende, verifica sus conexiones. Tocar los extremos del pedazo de madera con las puntas de los alambres. Hacer lo mismo con el tornillo, la regla y el clavo. Registrar tus observaciones en la tabla.

Material

Conductores y aislantes ¿Enciende el foco?

¿Con qué intensidad (cualitativo)?

Madera Plástico Clavo Tornillo Papel Vidrio Explicar que sucede con cada uno de los materiales a nivel microscópico, utilizando el modelo atómico de Bohr. Realizar una investigación y contestar las siguientes preguntas: • ¿Cuáles son los conductores y aislantes que se ocupan en la actualidad? • ¿Existe una clasificación de los conductores y aislantes en relación a su calidad?

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Compartir con los demás compañeros, las respuestas a las preguntas planteadas. Actividad 4. Cierre.

Tiempo estimado: 60 min.

Es importante que integres tus conocimientos que tienes acerca de: el modelo atómico, las características de las partículas subatómicas, el movimiento que tienen los electrones en un circuito, los materiales que son conductores de electricidad para dar una explicación al dispositivo que se presenta a continuación. Semáforo Formar equipos de 4 a 5 integrantes para construir el siguiente dispositivo. Elaborar una presentación en un cartel del semáforo que contemple lo siguientes aspectos: • Propósito • Material • Explicar en términos causales como funciona el dispositivo de acuerdo al: - El circuito eléctrico que se establece. - Los materiales que son aislantes. - El funcionamiento del led en el circuito. - Su aplicación del dispositivo en actividades cotidianas. • Reconocer y valorar los avances científicos y tecnológicos en actividades de nuestra vida cotidiana. • Elaborar conclusiones. Figura del dispositivo Manija giratoria

Cinta adhesiva Lata sin pintar

Pilas

Led

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