MOTOR DE ALTO VOLTAJE (CAMPANAS DE FRANKLIN) ¿CUÁNDO EXPERIMENTA UN OBJETO UNA FUERZA ELÉCTRICA? ¿ES NECESARIO QUE EL OBJETO ESTÉ PREVIAMENTE CARGADO? ESTRATEGIAS (Tácticas) Éste taller se desarrollará de manera compartida entre los ponentes y el auditorio, para ello se requiere una previa lectura e información acerca del tema general: “Cargas, Fuerzas y Campos”, todo ello con el fin de contar con una capacidad de análisis crítico en la solución de algunas situaciones reales y problemas planteados por cada orador. Nuestro experimento se dará a conocer fundamentalmente mediante dos materiales didácticos de trabajo los cuales son: Una Lectura Comprensiva, la cual consta de algunas definiciones claras que permiten un mejor entendimiento del laboratorio, adjunto a ello, se podrán observar ciertas imágenes de los materiales, las cuales harán amena la lectura ya que las herramientas utilizadas en este taller son totalmente factibles de conseguir (elementos caseros).

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Un video que será empleado como ayuda visual y complemento de la lectura ya que en éste se proyectaran los pasos del experimento, para que a la vez que se vaya haciendo la lectura se pueda observar el desarrollo como tal del mismo. Finalmente se podrán comprobar y estudiar con criterio las ideas inicialmente planteadas, además se podrá encaminar la solución de nuestra pregunta inicialmente planteada. (http://www.leechvideo.com/video/view1155090.html)

METODOLOGÍA

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DIAGNÓSTICO •

¿Es posible que un campo eléctrico exista en un campo vacío?

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Suponga dos cargas puntuales iguales separadas por una distancia d. ¿En qué punto (distinto al infinito) una tercera carga de prueba experimentaría fuerza neta nula?

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El agua hace posible la vida: las células de nuestro cuerpo no podrían funcionar sin las moléculas disueltas en el agua del interior de las células. ¿Qué propiedades eléctricas del agua hacen de ella un disolvente tan bueno?

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¿Cuál es la diferencia entre fuerza gravitatoria y fuerza eléctrica?

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Explique por qué las líneas de un campo eléctrico jamás se cruzan.

[Ver Anexo 1] AMBIENTACIÓN TEÓRICA Y EXPERIMENTO En esta parte se podrá profundizar en los conceptos de la Electrostática y se observará el desarrollo de un laboratorio que demuestra el principio de conservación de la carga. Ésta experiencia sencilla sirvió de apoyo a Franklin para avanzar en la descripción de la carga eléctrica como propiedad de la materia. A su vez se analiza y corrobora el papel de la electrostática como parte de la física que se encarga de estudiar éste tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. En consecuencia, se concluye que los electrones no se crean ni se destruyen, sino que simplemente se transfieren de un material a otro. [Ver anexo 2] SOCIALIZACIÓN Una vez llevada a cabo la presentación del experimento se realizará una breve explicación de la forma como se llevará a cabo la discusión de la pregunta problematizadora planteada inicialmente y se determinarán las pautas a seguir para concluir y dar fin a la exposición. De la misma forma se compartirán cuestionamientos y comentarios que encaminarán adecuadamente el proceso y los objetivos que se desean alcanzar. [Ver anexo 3]

ANEXO 1 [Diagnóstico] •

¿Es posible que un campo eléctrico exista en un campo vacío?

Claro que si existe el campo eléctrico en el vació, la mejor prueba de esto es la luz, ya que está formada por campos eléctricos y magnéticos que oscilan y se propagan en el vació. Se puede pensar que el campo eléctrico se refiere a un cambio de las propiedades del espacio, de tal forma que cualquier carga eléctrica puede detectar ese cambio y reaccionar experimentando una fuerza. El campo eléctrico solo necesita de dos cosas para existir, algo que lo genere (como una carga eléctrica o un campo magnético que varíe con el tiempo) y espacio donde este aparezca (hace referencia al escenario donde se llevan a cabo los fenómenos físicos). •

Suponga dos cargas puntuales iguales separadas por una distancia d. ¿En qué punto (distinto al infinito) una tercera carga de prueba experimentaría fuerza neta nula?

Esto se puede explicar gracias a la ley de Coulomb, ya que para que una tercera carga pueda experimentar una fuerza neta nula debe estar separada una distancia que tienda a infinito (de lo contrario no se daría una fuerza igual a cero); debido a que 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, por lo tanto a mayor distancia (infinito) la fuerza tenderá a ser nula. •

El agua hace posible la vida: las células de nuestro cuerpo no podrían funcionar sin las moléculas disueltas en el agua del interior de las células. ¿Qué propiedades eléctricas del agua hacen de ella un disolvente tan bueno?

Las moléculas de agua tienen un momento dipolar eléctrico permanente: un extremo de la molécula tiene carga positiva y el otro extremo tiene carga negativa. Estos extremos atraen iones negativos y positivos, respectivamente, y mantienen separados los iones en solución. El agua es menos eficaz como disolvente de materiales cuyas moléculas no se ionizan (llamadas sustancias no iónicas), como los aceites.

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¿Cuál es la diferencia entre fuerza gravitatoria y fuerza eléctrica? Repulsión:

La gravedad es una fuerza que se produce entre todos los cuerpos con masa, a mayor masa mayor atracción (no hay repulsión, sólo atracción). Mientras que la fuerza eléctrica produce una atracción hacia los cuerpos de carga opuesta, y una repulsión a los de carga idéntica. Resistencia: No hay nada que oponga una resistencia a la gravedad. Sin embargo, la fuerza eléctrica es modificada por el medio (Permitividad). Además la fuerza eléctrica está íntimamente asociada a la fuerza magnética (de hecho, se consideran dos fenómenos de la misma fuerza). La fuerza gravitatoria no está asociada a ninguna otra fuerza. ANEXO 2 [Ambientación Teórica]

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La magnitud fundamental en electrostática es la carga eléctrica. Hay dos clases de carga: positiva y negativa. Las cargas del mismo signo se repelen mutuamente; las cargas de signo opuesto se atraen. La carga se conserva; la carga total de un sistema aislado es constante. Barra de plástico frotada con la piel

Barra de vidrio frotada con seda

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Toda la materia ordinaria se compone de protones, neutrones y electrones. La fuerza nuclear mantiene unidos los protones positivos y los neutrones eléctricamente neutros del núcleo de un átomo; los electrones negativos rodean al núcleo a distancias mucho mayores que el tamaño nuclear. La estructura de los átomos, moléculas y sólidos se debe principalmente a interacciones eléctricas.

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Los conductores son materiales que permiten que la carga se desplace libremente en su interior. Los aisladores permiten que la carga se desplace con dificultad mucho mayor. Casi todos los metales son buenos conductores; la mayor parte de los no metales son aisladores.

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La ley de Coulomb es la ley básica que rige la interacción de cargas puntuales. En el caso de dos cargas Q1 y Q2 separadas por una distancia d, la magnitud de la fuerza sobre cualquiera de las cargas es proporcional al producto Q1Q2 e inversamente proporcional a d². La fuerza sobre cada carga actúa a lo largo de la recta que une las dos cargas: es de repulsión si Q1 y Q2 tienen el mismo el signo,

y de atracción si tienen signos opuestos. Las fuerzas forman un par de acción/reacción y obedecen la tercera ley de Newton. En unidades SI la unidad de carga eléctrica es el coulomb, que se abrevia C. •

El principio de superposición de fuerzas establece que, cuando dos o más cargas ejercen cada cual una fuerza sobre una carga, la fuerza total sobre esa carga es la suma vectorial de las fuerzas que ejercen las cargas individuales.



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El campo eléctrico E, es una magnitud vectorial, es la fuerza en cada unidad de carga que se ejerce sobre una carga de prueba en cualquier punto, siempre y cuando la carga de prueba sea lo suficientemente pequeña para no perturbar las cargas que crean el campo. El campo eléctrico producido por una carga puntual tiene una dirección radial hacia la carga o en sentido contrario a ésta.

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El principio de superposición de campos eléctricos establece que el campo eléctrico E de cualquier combinación de cargas es la suma vectorial de los campos producidos por las cargas individuales. Para calcular el campo eléctrico producido por una distribución continua de carga, se divide la distribución en elementos pequeños, se calcula el campo originado por cada elemento, y luego se lleva a cabo la suma vectorial o la suma de cada componente, por lo regular integrando. Las distribuciones de carga se describen mediante la densidad lineal de carga carga

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, la densidad superficial de carga

y la densidad volumétrica de

.

Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado. Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles

positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza. [Experimento] MOTOR DE ALTO VOLTAJE (Campanas de Franklin)

MATERIALES: • Dos latas de gaseosa. • Un objeto de plástico (pitillo o lapicero). • 15 centímetros de hilo. • Una lámina de aluminio de 30 cm. • Cinta adhesiva. • Dos cables con clips "quijada de caimán" • Un aro o anillo PROCEDIMIENTO: 1. Quitar los aros de arriba que son para abrir las latas y atar uno de ellos al hilo el cual a su vez se enrolla en el pitillo o el lapicero. 2. Colocar las latas sobre una mesa de vidrio con una separación entre ellas de 6 a 10 cm. 3. Colocar el lapicero o pitillo sobre las latas, de manera que el aro se balancee a una altura de 3 cm de la mesa sobre la que se han colocado las latas. 4. Conectar un extremo del cable (sujetando con cinta adhesiva) a la lata de la izquierda, y el otro extremo será el que debe conectarse a tierra, si no hay tierra, puedes sujetar el cable (pelado) con las manos, porque el cuerpo humano hace una buena conexión a tierra. 5. Conectar el otro cable a la otra lata (la de la derecha). Su otro extremo será conectado a una fuente de alto voltaje. Esto es más fácil de lo que suena, porque una fuente inofensiva de alto voltaje es el monitor de una computadora o la TV. 6. Presionar un trozo de lámina de aluminio de unos 30 cm de longitud en la pantalla y hacer huecos pequeños sobre la superficie de la lámina, porque la pantalla está cargada de electricidad. Conectar el cable de la lata derecha a la lámina de aluminio. 7. El aparato comienza a funcionar al encender la TV. El aro es atraído por una de las latas y cuando la choca, es atraído por la otra lata y la acción se repite. ¿POR QUÉ OCURRE ESTO? Dentro del TV hay un generador de alto voltaje que se usa para mandar electrones a la pantalla y que crean las imágenes. Al colocar un conductor de gran tamaño en la pantalla construimos un capacitor (condensador) que se carga en forma parecida a las baterías de los autos usando la electricidad fuera del TV. El voltaje con el que se carga nuestro capacitor es alto, pero tiene

muy poca corriente, de manera que si tocamos la lámina, la descarga no es más peligrosa que si caminamos por una alfombra y luego tocamos la manilla de la puerta. La lata de la derecha está conectada al alto voltaje y la de la izquierda a tierra, por lo que la electricidad se va a tierra. Los electrones de la lata de la derecha atraen al aro, al tocar éste a la lata, se carga con el mismo tipo de electricidad y como dos objetos cargados igualmente se repelen, el aro es lanzado hacia la otra lata, donde se descarga y se repite el proceso. Este aparato se llama "Las campanas de Franklin", científico norteamericano, que estudió la electricidad producida por los rayos. Usaba el aparato para detectar los rayos en las tormentas. El conectaba uno de los cables a su pararrayos y el otro a una bomba de agua de hierro, que hacía de tierra. Claro que no usó latas de bebidas, sino campanas.

ANEXO 3 [Socialización] La socialización se realizará mediante una técnica conocida como PHILIPS 66 la cual facilita la confrontación de ideas o puntos de vista, el esclarecimiento o enriquecimiento mutuo, la actividad y participación de todos los alumnos estimulando de ésta manera la competencia la cual es útil para obtener rápidamente opiniones elaboradas por equipos, acuerdos parciales,… todo esto con el fin de indagar y conocer el nivel de información que poseen los alumnos para así comprobar y determinar el éxito de la presentación. Después de haber sido expuesto el experimento y haberlo profundizado mediante el video y la lectura (medios didácticos) que ayudaron a reforzar conocimientos previos obtenidos, se evaluará en pocos minutos de la siguiente manera: 1. Se realiza el planteamiento de los temas, las preguntas y los respectivos problemas por parte de los ponientes. 2. Se informa sobre el uso de la técnica y la limitación del tiempo para que cada subgrupo ajuste su trabajo a estas limitaciones. 3. Se divide el grupo en subgrupos de 6 personas cada uno, (en este caso se unirán dos de los subgrupos de tres personas ya establecidos para hacer más factible la actividad). 4. Cada uno de los componentes del grupo expone su opinión durante un minuto. 5. Cada grupo elige un portavoz que es el encargado de anotar, resumir y presentar las opiniones del subgrupo al resto de los participantes. 6. Una vez leídas todas las ideas, se discuten las conclusiones presentadas y se integra todo el trabajo efectuado por los diferentes subgrupos. 7. Finalmente se concluye toda la información y se logran los objetivos propuestos los cuales tenían como finalidad favorecer el pensamiento de cada persona, obtener mucha información en poco tiempo y profundizar al máximo en su totalidad el tema.