Descargar como PDF, PPTX
![LIBRO DE ACTIVIDADES
El potencial eléctrico
4
COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________
22 Determina el potencial eléctrico si se tienen dos cargas
iguales de 2 × 10–6
C y la fuerza culómbica entre ellas es
de 0,4 N.
23 ¿Cuál es la energía potencial eléctrica almacenada en un
sistema de dos partículas que se encuentran separadas
por una distancia de 0,2 m y cuyas cargas son
q1
= 5 × 10–6
C y q2
= 3 × 10–6
C?
24 Calcula la diferencia de potencial (VA
– VB
) entre los
puntos A y B del campo eléctrico homogéneo de
intensidad E = 4 N/C.
25 Calcula la diferencia de potencial (V1
– V2
) entre los
puntos 1 y 2 del campo eléctrico homogéneo de
intensidad E = 9 N/C.
26 Calcula el radio de una esfera conductora que posee
una carga de 80 nC y un potencial eléctrico de 240 V.
27 En el arreglo de la figura, calcula la diferencia de
potencial entre los puntos A y B.
28 El campo eléctrico generado por dos placas paralelas
es E = 2,0 × 104
N/C y la distancia entre ellas es d = 5,0
mm. Si un electrón se deja libre y en reposo cerca de la
placa negativa, determina la diferencia potencial.
EXPLICA EL MUNDO FÍSICO
A B
20 cm
15 cm 48 cm
32,5 μC
32,5 μC
Calculamos la diferencia de potencial entre las placas:
ΔV = E × d
ΔV = (2,0 × 104
N/C)(5 × 10–3
m)
ΔV = 1,0 × 102
V
La diferencia de potencial entre las placas es de 100 V.
F = k ×
q1
×q2
______
d2
d2
=
9 × 109
(2 × 10–6
)(2 × 10–6
)
______________________
0,4
→ d = 0,09 m
Como las cargas están distanciadas 0,09 m, entonces:
Vp'
=
9 × 109
(2 × 10–6
)
______________
0,09
→ Vp'
= Vp
= 20 000 V
p'
q1
q2
0,09 m
p
U =
9 × 109
(5 × 10–6
)(3 × 10–6
)
______________________
0,2
= 0,675 J
VA
– VB
= E × d
VA
– VB
= 4(2 × 10–3
m) = 8 × 10–3
V
A
B
d
EA
= EB
→ VA
VB
E × d = VA
– VB
→ 4 N/C × 0,4 m
VA
– VB
= 1,6 V
Vesfera
=
k × Q
______
resfera
240 =
9 × 109
(80 × 10–9
)
_______________
resfera
resfera
= 3 m
VA
= k ×
Q
__
d
VA
= [ 9 × 109
(32,5 × 10–6
)
_________________
0,25 ]
× 2
VB
= k ×
Q
__
d
VB
= [ 9 × 109
(32,5 × 10–6
)
_________________
0,52 ]
× 2
d = √
______________
(0,20)2
+ (0,48)2
= 0,52
VA
– VB
= 1215 kV
129
UNIDAD 7
©
Santillana
S.A.
Prohibido
fotocopiar.
D.L.
822
Book 1.indb 129 8/8/16 9:15 AM
El campo eléctrico
3
COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________
15 Dos cargas, Q1
= +6 × 10–6
C y Q2
= –8 × 10–6
C, están
separadas 6 m. Halla la intensidad del campo eléctrico.
16 Consideremos las partículas con
cargas eléctricas indicadas en la
figura si las cargas son: q1
= –10 μC,
q2
= 20 μC y q3
= 15 μC.
17 Determina el campo eléctrico generado por una carga
de 1 × 10–6
a 80 cm de ella.
18 En una región influenciada por un campo eléctrico se
coloca una carga de prueba de 2 μC y se mide una fuerza
de 0,4 N. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico en
dicho punto?
19 En la figura, ¿en qué punto con respecto a la carga de
+1 μC la intensidad del campo resultante es nula?
20 Calcula el campo eléctrico resultante en un punto
medio de las dos cargas.
21 Calcula la intensidad del campo resultante en el punto B.
q1
q2
q3
__
›
E2
__
›
E1
Q1
= +4 μC
Q2
= +1 μC
P
2 cm 1 cm
3 cm
3 cm
P
Q1
= +4 μC
Q2
= –3 μC
10 cm10 cm
B
q2
= 10 μC
q1
= 10 μC
30° 30°
3 m
6 × 10–6
C –8 × 10–6
C
3 m
__
›
E1
__
›
E2
P
E1
=
9 × 109
(6 × 10–6
)
_______________
(3)2
= 6000 N/C
E2
=
9 × 109
(8 × 10–6
)
_______________
(3)2
= 8000 N/C
E2
+ E1
= 14 000 N/C
E1
= 1000 N/C
E2
= 6000 KN/C
ET
= √
___
37
× 108
N/C
E =
9 × 109
(1 × 10–6
)
_______________
(0,8)2
= 14 062,5 N/C
q0
__
›
FE
__
›
E
E =
FE
__
q0
→ E =
0,4
_______
2 × 10–6
E = 2 × 105
NC
E1
= E2
→
k × q1
______
x2
=
k × q2
_________
(0,15 – x)2
x = 0,05 m
1 μC 4 μC
15 cm
__
›
E2
__
›
E1
E1
=
9 × 109
(10–6
)
___________
(0,075)2
= 1600 N/C
E2
=
9 × 109
(4 × 10–6
)
______________
(0,075)2
ET
= 6400 – 1600 = 4800 kN/C
E1
= 2 250 000 N/C
E2
= 2 250 000 N/C
α = 60°
ER
= r × E1
2
+ E2
2
+ 2E1
× E2
× cos α
= 2,25
√
__
3
× 106
N/C
1 μC
q1
4 μC
q2
20 cm
10 cm 10 cm
q2
= 10 μC
q1
= 10 μC
α
20 cm
__
›
E1
__
›
E2
30°30°
128
©
Santillana
S.
A.
Prohibido
fotocopiar.
D.
L.
822
Book 1.indb 128 8/8/16 9:15 AM
Indicar a los estudiantes que investiguen cómo es actualmente una botella de
Leyden.
Destacar la fórmula C = Q / ∆ e indicar que con esta fórmula se mide la
capacidad de un condensador.
Explicar que la capacidad de un condensador depende de la forma y el
material del que está hecho. Puede ser plano, cilíndrico, esférico, etc.
Pedir a los estudiantes que formen grupos de tres integrantes y pedirles que
realicen las actividades 29 a la 34. Luego, invitarlos a evaluar las respuestas
intercambiando las soluciones con otro grupo de la clase.
Presentar la información sobre la corriente eléctrica a partir de la pregunta
del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 152.
Explicar que corriente eléctrica se refiere al flujo o movimiento de las cargas
eléctricas que se desplazan en determinada dirección a través de un cable
o conductor.
Leer el texto sobre corriente eléctrica y pedir a los estudiantes que analicen
el tema de circuitos eléctricos y sus elementos y los tipos de corriente.
Realizar la actividad que se propone en la sección “Articulación con otras
áreas”.
Pegar en la pizarra un cuadro comparativo sobre el circuito en serie y el
circuito en paralelo e identificar las diferencias que los caracterizan.
Mantener los mismos grupos de trabajo y solicitar a los estudiantes que
realicen las actividades 35 a la 39.
Monitorear que todos los integrantes colaboren con el desarrollo de la
actividad.
Solucionario ¿Cómo voy? - ¿Cómo vamos?
7. Mínima, condensadores en serie: CT
= 4,35 µF
Máxima, condensadores en paralelo CT
= 150 µF
8. Respuesta libre
Articulación con otras áreas
Comunicación
Solicitar a los estudiantes que formen grupos de cuatro integrantes y
realicen dos maquetas: una de un circuito en serie y otra de un circuito en
paralelo utilizando pilas y focos de linterna con soquete.
Pedirles que realicen un video de 2 minutos como máximo, donde
se evidencia el trabajo, los materiales, el proceso y los resultados y
los integrantes del grupo. Luego de realizado el trabajo, presentar
las maquetas en clase y proyectar el video. Realizar la evaluación
correspondiente y registrarla correctamente.
5. Capacidad eléctrica y condensadores /
6. La corriente eléctrica
Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre
los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y
universo.
Capacidades y desempeños precisados
Capacidad
• Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos;
materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo.
Desempeños
precisados
• Define condensador y capacidad eléctrica y deduce el valor
de la capacidad de un condensador a partir de su definición.
• Identifica el condensador como un dispositivo de
almacenamiento de energía electrostática.
• Identifica conceptos básicos de corriente eléctrica y circuito
eléctrico.
• Describe las características de circuitos en serie y en
paralelo.
Sugerencias didácticas
Pedir a los estudiantes que con anterioridad recaben información acerca de
nubes, tormentas eléctricas, rayos y pararrayos.
Presentar la información sobre la capacidad eléctrica y condensadores a
partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 150. Luego,
formular las siguientes preguntas: ¿Algunas vez han escuchado la palabra
condensador? ¿Qué es? ¿Qué propiedad tiene?
Presentar en un papelógrafo el siguiente párrafo: “Una nube con fuerte carga
de electricidad que se encuentra a 1000 o 1500 metros del suelo se asemeja
a un inmenso condensador”. Luego, invitar a los estudiantes a leer el texto
sobre la capacidad eléctrica y condensadores. Después de leer el texto y
el papelógrafo, formular las siguientes preguntas: ¿Existirá alguna similitud
entre un condensador y una nube cargada? ¿Por qué? ¿Qué es una tormenta
eléctrica? ¿Por qué se producen los rayos? ¿Qué función cumplirán los
pararrayos?
Pedir a los estudiantes que definan en su cuaderno qué es un condensador y
qué es capacidad eléctrica, luego pedirles que compartan su respuesta con
los demás compañeros del aula.
Comentar que la botella de Leyden fue el primer condensador que se
construyó. En un inicio era una botella de cristal llena de agua, cerrada, con
un alambre o una aguja que traspasaba el tapón y estaba en contacto con el
agua. La botella se cargaba sujetándola con una mano y poniendo la parte
saliente del alambre en contacto con un dispositivo eléctrico. Cuando se
interrumpía el contacto entre el alambre y la fuente eléctrica y se tocaba el
alambre con la mano, se producía una descarga que se presentaba como
una sacudida violenta.
Texto escolar (págs. 150-153) Libro de actividades (pág. 130 y 131)
239
238
Unidad
7
©
Santillana
S.
A.
Prohibida
su
reproducción.
D.
L.
822
©
Santillana
S.
A.
Prohibida
su
reproducción.
D.
L.
822](https://image.slidesharecdn.com/gua7-220818125929-f9d4cd23/85/GUIA-7-pdf-7-320.jpg)
Más contenido relacionado
GUÍA 7.pdf
- 1. Física SECUNDARIA DÍA A DÍA ENEL AULA F Proyecto Crecemos juntos Presentación del proyecto Crecemos juntos El área de Ciencia y Tecnología en el proyecto editorial • Lineamiento curricular • Fortalezas del área • Secuencia de conocimientos VII ciclo (3.°, 4.° y 5.° grado) • Materiales para el estudiante, el docente y el aula • Portal digital del docente Guiones didácticos de las unidades 1 a la 9: • Presentación de la unidad y recursos • Programación curricular • Reproducción del Texto escolar y del Libro de actividades • Sugerencias didácticas: – Competencias, capacidades y desempeños precisados – Sugerencias didácticas – Solucionarios – Información complementaria – Pautas para trabajar recursos de internet – Orientaciones para el uso de los materiales digitales – Reflexiones para la práctica docente – Instrumentos para la evaluación
- 2. Usa estrategias delas TIC Transferencia de electricidad sin cables Actividad de indagación Comprobamos y analizamos Habilidades científicas Interpretamos y analizamos información Noticia científica Un nuevo generador convierte el movimiento en electricidad Ciencia aplicada Cierre ¿Qué aprendí? Carga eléctrica Potencial eléctrico Circuitos eléctricos Magnitudes eléctricas La electricidad Los seres vivos 7 Texto escolar y Libro de actividades Solo Libro de actividades RECURSOS ESQUEMA PRESENTACIÓN Competencias Capacidades Desempeños Desempeños precisados Conocimientos Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. • Explica, a partir de fuentes con respaldo científico, la relación entre las propiedades periódicas de los elementos con el campo eléctrico al interior del átomo, y aplica estos conocimientos a situaciones cotidianas. • Fundamenta, sobre la base de fuentes con respaldo científico, que los átomos se enlazan entre sí cuando transfieren o comparten electrones, liberando o absorbiendo energía y que la reactividad química de las sustancias (elementos, iones, grupos reactivos, radicales, etc.) depende de su distribución electrónica. Aplica estos conocimientos a situaciones cotidianas. • Explica, basándose en fuentes documentadas, que la estructura atómica o molecular determina el comportamiento de los materiales en fenómenos en los que interviene el calor, la electricidad, el magnetismo y el electromagnetismo, y aplica estos conocimientos a situaciones cotidianas. • Explica el concepto de carga eléctrica y la cuantización de la carga. • Observa cómo los cuerpos se electrizan y formula explicaciones. • Diferencia conductores, aislantes y semiconductores. • Analiza las características de los diferentes métodos por los cuales los cuerpos pueden ser cargados. • Explica la naturaleza del campo eléctrico. • Define los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico. • Calcula y aplica la energía potencial de una carga conocida. • Define condensador y capacidad eléctrica y deduce el valor de la capacidad de un condensador a partir de su definición. • Identifica el condensador como un dispositivo de almacenamiento de energía electrostática. • Identifica conceptos básicos de corriente eléctrica y circuito eléctrico. • Describe las características de circuitos en serie y en paralelo. • Identifica conceptos básicos sobre magnitudes eléctricas. • Describe resistencias en serie y en paralelo. • Aplica la ley de Ohm. • Describe qué es la energía eléctrica y su importancia en nuestros días. • Observa situaciones para explicar el efecto Joule. • Sustenta que la electricidad puede ser generada a través de diferentes formas diferentes de la convencional. • La carga eléctrica • La interacción entre cargas • El campo eléctrico • El potencial eléctrico • Capacidad eléctrica y condensadores • La corriente eléctrica • Las magnitudes eléctricas • La energía eléctrica • Evalúa las implicancias del saber y del quehacer científico y tecnológico. • Fundamenta una visión de sí mismo, del ser humano y del mundo frente a hechos paradigmáticos, empleando evidencia histórica. • Formula conclusiones basados en su postura personal. Indaga mediante métodos científicos para construir conocimientos. • Analiza datos e información. • Obtiene, organiza y representa de diversas formas datos cualitativos / cuantitativos fiables a partir de la manipulación y observación sistemática de las variables dependientes e independientes y el control de las intervinientes. • Extrae conclusiones a partir de la relación que encuentra en gráficos y tablas. • Obtiene datos considerando la manipulación de las variables. • Analiza los resultados y los contrasta con los resultados obtenidos. • Evalúa y comunica el proceso y resultados de su indagación. • Explica el fundamento, procedimiento, producto de la indagación y sustenta sus conclusiones utilizando conocimiento científico, destacando el grado en que los resultados satisfacen la pregunta de indagación y la posibilidad de aplicarlas a otros contextos. • Formula conclusiones basadas en sus resultados. PROGRAMACIÓN La electricidad Esta unidad explica a los estudiantes las características de las cargas eléctricas y sus interacciones; qué es un campo eléctrico y cómo se genera; las aplicaciones del potencial eléctrico, la capacidad eléctrica y los condensadores, y la generación de energía eléctrica. Asimismo, los estudiantes aprenderán a reconocer las diferencias entre los materiales conductores y los aislantes; además de identificar los elementos principales de un circuito eléctrico y aplicar la ley de Ohm en la resolución de problemas. Los estudiantes aprenderán, de manera colaborativa, a interpretar y analizar información a través del desarrollo de sus habilidades científicas, comprobar y analizar una investigación a través de la actividad de indagación, analizar la importancia de los avances científicos en la vida cotidiana a través de la noticia científica y el uso de estrategias TIC, y generar datos e información y comunicar sus resultados por medio de la elaboración de un informe. Santillana Digital Secuencia digital: Fenómenos eléctricos Para empezar Presenta una introducción sobre la electricidad. ¿Qué aprenderé? Muestra las capacidades y habilidades que logrará el estudiante. Compruebo lo que sé Actividad interactiva: contiene preguntas sobre saberes previos. Una situación para resolver Proyecto en red: presenta una situación acerca del uso de dispositivos eléctricos más eficientes. Experimento de Coulomb Video: muestra cómo se determinó de manera experimental la ley de interacción entre cargas eléctricas. La interacción de las cargas Video: explica el valor las cargas aplicando la ley de Coulomb. Circuitos eléctricos Animación: muestra los elementos que conforman los circuitos eléctricos, qué tipos existen y dónde se aplican. Circuitos eléctricos simples Simulador: permite simular la construcción y comprobar el funcionamiento de circuitos eléctricos sencillos. Desarrollo mis capacidades Proyecto en red: propone una investigación sobre las magnitudes eléctricas, la ley de Ohm, y los efectos de la corriente eléctrica. Efecto luminoso de la corriente Animación: describe el efecto luminoso de lámparas de incandescencia, lámparas fluorescentes y diodos LED. Magnitudes eléctricas en un conductor Video: calcula la intensidad, la resistencia y la energía eléctrica generada en un conductor en particular. Electrodomésticos vampiros Actividad interactiva: explica acerca del gasto de energía oculto que generan algunos aparatos eléctricos. Aplicamos lo aprendido Proyecto en red: plantea la elaboración de un producto digital sobre la reducción del consumo de energía eléctrica. Compruebo lo que aprendí Actividad interactiva: contiene preguntas sobre los conocimientos adquiridos. Para finalizar Actividad interactiva: plantea actividades donde el estudiante asume una posición crítica y de reflexión sobre su aprendizaje. Libromedia Texto escolar Libro de actividades Sugerencia de temporalización: 4 semanas 12 de agosto: Día de la Calidad del Aire Energía eléctrica 229 228 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 3. TEXTO ESCOLAR CONVERSAMOS • ¿Qué es la electricidad? • ¿Cómo llega la electricidad a nuestros hogares? • ¿Cómo se puede calcular el consumo diario de energía eléctrica? • ¿Qué medidas de seguridad deben tener las personas que trabajan en empresas eléctricas? Energía limpia para todos Perú, tradicionalmente, produce energía hidroeléctrica y de hidrocarburos, sea de gas, de petróleo o de carbón. Estas fuentes afectan al medioambiente y contribuyen al cambio climático. Actualmente, en promedio, el 48 % de la electricidad proviene del agua y el 51 % de hidrocarburos. Sin embargo, el Perú es uno de los países del mundo con mayor radiación solar, donde hay vientos favorables y abundancia de agua. Por ello, la electrización en nuestro país podría generarse haciendo uso de la llamada energía limpia a través de paneles solares, aerogeneradores, centrales hidroeléctricas descentralizadas, biogás, entre otros. Brindar energía de suficiente cantidad y calidad, sobre todo a la población que aún no cuenta con electricidad, es un reto sustancial para nuestro desarrollo. Tener electricidad para realizar actividades económicas o sociales añade un valor considerable a la calidad de vida. Shutterstock 141 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 141 8/9/16 11:41 AM 7 La electricidad ¿QUÉ APRENDERÉ? • Identificar los conceptos básicos de carga eléctrica y electricidad. • Reconocer las diferencias entre los materiales conductores y los aislantes. • Identificar los elementos principales de un circuito eléctrico. • Realizar cálculos aplicando la ley de Ohm y elaborar esquemas empleando la simbología de manera correcta. • Resolver problemas sobre circuitos eléctricos a partir de un esquema de los mismos. 140 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 140 8/9/16 11:41 AM 1. La carga eléctrica / 2. La interacción entre cargas Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Explica el concepto de carga eléctrica y la cuantización de la carga. • Observa cómo los cuerpos se electrizan y formula explicaciones. • Diferencia conductores, aislantes y semiconductores. • Analiza las características de los diferentes métodos por los cuales los cuerpos pueden ser cargados. Sugerencias didácticas Presentar la información sobre la carga eléctrica a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 142. También puede formular otras interrogantes como las siguientes: ¿Qué es un átomo? ¿Cuáles son las partes del átomo? ¿Qué tipo de carga tiene cada una de las partes del átomo? Preguntar, luego de las intervenciones realizadas por los estudiantes, qué es lo que sucede cuando acercamos nuestro cabello a un globo o cuando pasamos nuestro brazo muy cerca a la televisión o pantalla de una computadora. Pedir a los estudiantes que realicen la experiencia planteada en la sección “Experimentamos” de la página 142. Luego, animar a algunos voluntarios que compartan sus observaciones con los demás compañeros del aula. Explicar que los objetos se atraen entre sí porque están electrizados y se origina electricidad estática. Considerar las respuestas de las preguntas iniciales y mencionar que la materia está constituida por átomos y los átomos se componen de un núcleo de carga positiva conformado por neutrones y protones y una nube alrededor formada por electrones, los cuales tiene carga negativa. Leer el texto del recuadro “Para saber más” de la página 142 y destacar que tanto el electrón como el protón poseen la misma carga, pero con signos opuestos. Destacar que los electrones pasan de un cuerpo a otro cargándose negativamente cuando reciben electrones o positivamente cuando ceden electrones. Proponer a los estudiantes que lean la información presentada sobre la interacción entre cargas. Comentarles que la carga se conserva, no se destruye ni se crea, solo se mantiene o transfiere. Enfatizar en que todos los cuerpos tienen la propiedad de ser electrizados, pero no todos permiten el paso de la electricidad, esto es lo que determina la propiedad de ser conductor, aislante o semiconductor. Invitar a los estudiantes a observar el cuadro sobre las propiedades eléctricas de algunos materiales y pedirles que completen el siguiente cuadro con otros ejemplos: Conductores Aislantes Semiconductores Mencionar que existen diferentes formas de cargar un cuerpo: por frotación, como el realizado anteriormente; por contacto, cuando un cuerpo está en contacto con otro; o por inducción, cuando no es necesario que exista contacto directo para ser electrizado. Señalar a los estudiantes que lean la pregunta de la sección “Metacognición” de la página 144 y comenten su respuesta con un compañero. Luego, pedir a algunos voluntarios que compartan sus respuestas con la clase. Pedir a los estudiantes que, en parejas, realicen las actividades 1 a la 14. Solucionario ¿Cómo voy? - ¿Cómo vamos? 1. Lana: positivo Globo: negativo 2. El principio de la conservación sostiene que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, sino que simplemente se transfiere de un material a otro. 3. F = (9 × 109 × 21 × 2)/1 × 10–4 = 3,78 × 1015 N Información complementaria Benjamin Franklin y el pararrayos En 1753, el científico Benjamín Franklin inventó el pararrayos. La función de este aparato es atraer los rayos para evitar que caigan en otros lugares. Está constituido por una antena metálica que termina en forma de punta, en la que se encuentra una bola de cobre o de platino. La barra vertical de la antena está unida a tierra por un cable conductor que lleva la descarga hacia el suelo. Los rayos se rigen por los principios de la electricidad; por ello, siempre buscará moverse por la zona que más fácil le resulte. En el caso de los rayos, lo más seguro es que caigan en el punto más alto; por este motivo, los pararrayos se colocan en los techos de las viviendas. Otra característica importante de un pararrayos es el cable que lleva la corriente al suelo. Este cable neutraliza el poder de los rayos, gracias a que permite una polarización de las cargas eléctricas, y conduce las cargas al suelo. Texto escolar (págs. 142-145) Libro de actividades (págs. 126 y 127) 231 230 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 4. TEXTO ESCOLAR TEXTOESCOLAR EJERCICIO RESUELTO 1 La formación de carga de los cuerpos Los electrones pueden saltar de un cuerpo a otro, porque la fuerza que los mantiene unidos al átomo es más débil. Por contacto Por frotamiento Este método consiste en poner en contacto un cuerpo previamente cargado con otro cuerpo inicialmente neutro; después del contacto, ambos cuerpos quedan cargados con el mismo signo. Cuando la materia se frota, ocurre transferencia de electrones de un cuerpo a otro; además, algunas sustancias, debido a su estructura molecular o atómica, pueden ganar o perder electrones frente a otros cuerpos. Por inducción La inducción es un proceso de carga de un objeto sin que ocurra contacto directo. Observa el esquema: Conservación de la carga La carga se conserva, es decir, no puede ser destruida. Cuando el vidrio se frota con la seda, pierde sus electrones porque la seda los ha ganado; entonces, el vidrio queda cargado positivamente, y la seda, cargada ne- gativamente. Así, podemos afirmar que cuando frotamos dos objetos, estos se cargan eléctricamente con cargas de distinto signo. En toda transferencia de cargas eléctricas, se cumple el principio de conservación de la carga, que se enuncia así: la cantidad de carga de un sistema aislado es constante. Al frotar con seda una barra de vidrio A, inicialmente neutra, pierde 10 × 1012 electrones. Otra barra de vidrio B, idéntica a A, también es frotada y pierde 30 × 1012 electrones. Si ambas barras se ponen en contacto y después de la transferencia de electrones quedan cargadas con igual cantidad de carga, ¿cuál es el déficit de electrones en cada barra después del contacto? • Calculamos la carga total del sistema formado por las dos barras de vidrio: Carga total = 10 × 1012 + 30 × 1012 = 40 × 1012 electrones • Cuando las barras se pongan en contacto, los electrones de una se transferirán a la otra, pero la carga total del sistema permanecerá constante. Como ambas barras quedan finalmente cargadas con igual cantidad de carga, tenemos: Carga final en cada barra = 40 × 1012 ________ 2 = 20 × 1012 electrones EI déficit de electrones en cada barra es de 20 × 1012 electrones. ¿CÓMO VOY? 1 Al frotar un globo inflado con lana, el globo gana 2 millones de electrones. ¿De qué signo es la carga adquirida por la lana y por el globo? 2 ¿Qué enuncia el principio de conservación de la carga? Desarrolla la página 126 del Libro de actividades. A B A B A B A B ---- ++++ 143 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 143 8/9/16 11:41 AM ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Qué es la carga eléctrica? La carga eléctrica 1 EXPERIMENTAMOS Las cargas eléctricas Materiales: cinta adhesiva, unas tijeras y una regla. 1. Corten dos pedazos de cinta adhesiva y péguenla a una regla. Después, despréndanla bruscamente. 2. Acerquen los pedazos de cinta a distintos objetos pequeños y ligeros. Observen lo que sucede. 3. Aproximen los dos pedazos de cinta entre sí y observen qué ocurre. Analiza los resultados • ¿Qué observaste en la experiencia? • ¿Cómo podrías explicarla? La materia que nos rodea está formada por átomos, los cuales se en- cuentran constituidos, a su vez, por protones, electrones y neutrones. De ellos, protones y electrones presentan una propiedad conocida con el nombre de carga eléctrica. Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos: positiva, la que tienen los protones; o negativa, la de los electrones. Normalmente, los átomos de los cuerpos presentan tantos protones como electrones; por ello, tienen tantas cargas eléctricas positivas como negativas. Esto hace que sean neutros. Pero los átomos pueden ganar o perder electrones y convertirse en iones. De esta forma, los cuerpos neutros pueden adquirir una carga eléctrica. • Cuando los átomos ganan elec- trones, el cuerpo adquiere carga eléctrica negativa. • Cuando los átomos pierden elec- trones, el cuerpo adquiere carga eléctrica positiva. Un cuerpo electrizado está cargado positiva o negativamente porque ha perdido o ganado electrones, respectivamente. Por consiguiente, la carga eléctrica es una magnitud física medible y cuantificable. La canti- dad de electricidad neta de un cuerpo será igual a un número entero de veces la carga del electrón. En el sistema internacional, la unidad de carga eléctrica es el coulomb (C), que equivale a la carga eléctrica de unos seis trillones de electrones. 1 C = 6,24 × 1018 electrones Otra unidad muy usada es el microcoulomb (μC): 1 μC = 10–6 C. En determinadas condiciones, un átomo puede adquirir carga eléctrica cuando cede o gana electrones. Electrón Protón PARA SABER MÁS La carga del electrón en coulombs será qe = –1,602 × 10–19 C. Se considera que es una carga negativa. La carga de un protón tiene el mismo valor, pero es de signo opuesto: +1,602 × 10–19 C. 142 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 142 8/9/16 11:41 AM Los conductores, aislantes y semiconductores Aunque los cuerpos pueden ser electrizados, no todos permiten el paso de electricidad con la misma facilidad. Los cuerpos se clasifican en con- ductores, aislantes y semiconductores dependiendo de su capacidad para transmitir electricidad. Los conductores Permiten que las cargas eléctricas se desplacen con gran facilidad de una región del material a otra. Esto se debe a que en un metal, por ejemplo, los electrones exteriores de los átomos no están ligados a ningún núcleo y se mueven libremente (están sueltos); decimos enton- ces que casi todos los metales son buenos conductores. Son ejemplos de buenos conductores el cuerpo de los animales, el aire húmedo, el agua, etc. Los aislantes Presentan pocos electrones en las capas exteriores del átomo que im- piden que la carga eléctrica se desplace con gran facilidad. La mayor parte de los no metales son aislantes. Los gases, como el aire, son nor- malmente malos conductores; solo conducen electricidad en condicio- nes especiales. Los semiconductores Tienen propiedades intermedias entre los buenos conductores y los buenos aislantes. Se comportan como conductores o aislantes depen- diendo de diversos factores, como el campo eléctrico o magnético. Otros factores que pueden influir también son la presión, la radiación o la temperatura del ambiente. Propiedades eléctricas de algunos materiales Conductores Aislantes Plata Agua pura Cobre Madera Aluminio Vidrio Hierro Ámbar Mercurio Azufre Nicromo Plásticos Carbono Aire Dos cargas eléctricas, q1 = +54 μC y q2 = +5 μC, están separadas por una distancia de 10 cm, como se indica en la figura. Calcula el valor de la fuerza electrostática de interacción entre ellas. (Dato: 1 μC = 10–6 C) • Calculamos el valor de la fuerza electrostática, que viene determinado por la ley de Coulomb: F = k × q1 × q2 ______ r2 • Expresamos todos los datos en el sistema internacional antes de aplicar la ecuación, ya que el valor de la constante electrostática k está expresado en esas unidades: q1 = 4 × 10–6 C; q2 = 5 × 10–6 C; r = 0,1 m • Sustituimos estos valores en la expresión de la ley de Coulomb: F = 9 × 109 × 4 × 10–6 × 5 × 10–6 ________________________ 0,12 = 18 N La fuerza es de repulsión, pues ambas cargas son positivas. EJERCICIO RESUELTO 2 ¿CÓMO VAMOS? 3 Calcula la fuerza entre dos cargas, cuyos valores son 21 C y 2 C, que se encuentran en el agua separadas una distancia de 1 cm. Desarrolla la página 127 del Libro de actividades. 10 cm q1 q2 145 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 145 8/9/16 11:41 AM La interacción entre cargas ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Qué ocurre cuando dos cargas son iguales? 2 Sabemos que existen dos tipos de cargas denominados cargas positivas y cargas negativas. Las partículas cargadas con signos iguales ejercen fuerza de repulsión entre sí, y las partículas cargadas con signos dife- rentes ejercen fuerza de atracción entre sí. Esta ley recibe el nombre de primera ley de Coulomb. La cuantización de la carga La carga eléctrica no puede tomar valores arbitrarios y los valores que toma son múltiplos enteros de una cierta carga eléctrica mínima. En el sistema internacional, la carga eléctrica se mide en coulombs (C). El valor de la carga fundamental es el electrón, cuyo valor es –1,6 × 10–19 coulombs. Matemáticamente, se expresa así: q = n × (1,6 × 10–19 C) q = n × e– 1 e– < > 1,6 × 10–19 C Donde: n = número entero e– = carga del electrón q = carga del cuerpo Para estudiar la fuerza con que dos cuerpos se atraen o se repelen, se utiliza la segunda ley de Coulomb, deducida por Charles-Augustin Cou- lomb (1736-1806), que dice: “Dos cargas eléctricas se atraen o se repe- len con una fuerza que es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La fuerza depende, además, del medio en el que se encuentran dichas cargas”. F = k × |q1 × q2 | _______ d2 Donde: F = fuerza eléctrica en newtons (N). q1 y q2 = cantidad de cargas en coulombs (C). d = distancia entre las cargas en metros (m) k = constante de proporcionalidad = 9 × 109 N × m2 /C2 . La constante k es la constante electrostática. Depende del medio mate- rial en cual se encuentran las cargas. METACOGNICIÓN • ¿Cómo puedo relacionar esta información con mi vida diaria? Cargas de distinto signo se atraen. Cargas de igual signo se repelen. + – + + Charles Coulomb (1736-1806) fue un ingeniero y físico francés que logró establecer la relación que existe entre la fuerza de dos partículas cargadas. El nombre de la unidad de carga eléctrica, el coulomb (C), fue otorgada en honor a su nombre. 144 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 144 8/9/16 11:41 AM 233 232 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 5. LIBRO DE ACTIVIDADES COMPRENDEY USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 8 Clasifica los siguientes materiales como conductores o aislantes: agua, aire, plástico, aluminio, cobre, madera, plata, vidrio, cartón, mármol, leche y oro. Conductores Aislantes 9 Investiga y da ejemplos de materiales semiconductores. _____________________________________________ _____________________________________________ 10 ¿A cuántos electrones equivale una carga eléctrica de 3 C? 11 Se tiene una esfera metálica con +30 C. Calcula cuántos electrones debe ganar para quedar eléctricamente neutra si la conectamos a tierra. 12 Se tienen dos cargas de +20 C y –30 C. ¿Cuál es la fuerza entre ellas si la distancia inicial entre los péndulos es 1 cm? Observa la figura y determina si es fuerza de atracción o repulsión. 13 Tres cargas eléctricas se hallan dispuestas como muestra la figura. Encuentra el valor de la fuerza ejercida por las cargas q1 y q2 sobre la carga q3 . 14 Se tienen dos cargas iguales separadas por una distancia de 3 cm y que experimentan una fuerza de 360 N. ¿Cuál es el valor de las cargas si ambas son iguales? La interacción entre cargas 2 EXPLICA EL MUNDO FÍSICO Aislante q1 = 20 μC q2 = 30 μC 2 m 1 m q3 = –5 μC – Agua – Aire – Aluminio – Cobre – Plata – Leche – Oro – Plástico – Madera – Vidrio – Cartón – Mármol Para que la carga quede neutra debe subir una cantidad de electrones igual a la carga que tenemos al inicio, pero de signo contrario: q = n × e– → 3 = n(1,6 × 10–19 ) n = 1,875 × 1020 electrones Respuesta modelo: silicio (arena de mar, diodos), galio, indio, entre otros. Q = n × e– → 3 = n(1,6 × 10–19 ) n = 1,875 × 1019 electrones que en este caso serán protones, es decir: n = 1,875 × 1019 protones Fuerza de atracción F = k q1 × q2 ______ d2 F = 9 × 109 (20)(30) _____________ (0,01)2 F = 5,4 × 1016 N F1 : Fuerza de atracción entre q2 y q3 F2 : Fuerza de atracción entre q1 y q3 F1 = k × q1 × q3 __________ d2 = 9 × 109 (20 × 10–6 )(5 × 10–6 ) _______________________ 12 = 0,1 N F2 = k × q2 × q3 __________ d2 = 9 × 109 (30 × 10–6 )(5 × 10–6 ) _______________________ 32 = 1,35 N F = k × q1 × q2 __________ d2 360 = 9 × 109 (q)2 __________ (0,03)2 q = 6 × 10–6 C 1 cm q1 q2 __ › F __ › F 127 UNIDAD 7 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 Book 1.indb 127 8/8/16 9:15 AM 7 La electricidad La carga eléctrica 1 COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 1 La propiedad que poseen algunos cuerpos de atraer a otros después de ser frotados se denomina: A. Inducción eléctrica B. Carga eléctrica C. Fuerza eléctrica D. Magnetismo 2 ¿Cuántos electrones ha perdido un cuerpo que tiene una carga de +6 μC? 3 Frota una regla de plástico o un peine contra tu cabello. Luego, corta pedacitos de papel muy pequeños y acerca la regla o el peine cargados. • ¿Qué ocurre con los papelitos? ________________________________________________ ________________________________________________ • ¿A qué se debe el movimiento de los papelitos? ________________________________________________ ________________________________________________ • ¿Cómo es la fuerza que interacciona? ________________________________________________ ________________________________________________ 4 ¿Cómo es la interacción entre cargas eléctricas? _____________________________________________ 5 ¿De qué manera relacionas esta interacción entre las cargas con la idea de fuerza de Newton? _____________________________________________ 6 Llegas tarde a una feria de Ciencias y observas dos globos colgados que están separados y que luego se juntan solos. • ¿Por qué al inicio los globos estaban separados? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Por qué después de un tiempo se juntan? ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Qué harías para que los globos se vuelvan a separar? ____________________________________________ ____________________________________________ 7 Hacia 1800, Alessandro Volta inventó la pila, dispositivo capaz de producir un flujo de corriente eléctrica. Para ello, empleó discos metálicos impregnados con una solución salina que dispuso en este orden: cobre, cinc, carbón, cobre, cinc, carbón. Cuando se colocaba un hilo metálico entre el primer y el último disco (se cerraba el circuito), una corriente eléctrica circulaba por él. • ¿Por qué fue tan importante la pila de Volta? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Qué ocurriría si utilizamos un hilo de goma para unir el primer y el último disco de una pila de Volta? ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ La carga eléctrica de la regla provoca que los papelitos se peguen a ella. A que la regla tiene una carga diferente que la de los papelitos. Es una fuerza que actúa a distancia. Para este caso es de atracción. Cargas iguales se repelen, cargas diferentes se atraen. Es una fuerza que actúa a distancia. Para este caso es de atracción. Los globos estaban separados porque inicialmente eran neutros. Para que los globos se vuelvan a separar, descargaría uno de ellos. Hay en ambos una diferencia en protones y electrones. Uno de ellos tiene mayor cantidad de electrones que el otro, por ello, se atraerán. Impediríamos que haya movimiento de carga; por ello, no circularía la corriente eléctrica. Porque fue el primer aparato capaz de producir un flujo de corriente eléctrica. 3,75 × 1013 e– 126 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 126 8/8/16 9:15 AM − Un electrón puesto en cualquier lugar dentro de un campo eléctrico es atraído hacia la carga positiva; una carga positiva, colocada en el mismo lugar, es repelida. − Las líneas de fuerza son una representación gráfica de un campo de fuerzas. Además se definen como líneas imaginarias que describen los cambios en la dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. − Las líneas de fuerza, en el caso del campo eléctrico, indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonara libremente a la influencia de las fuerzas del campo. Anotar las conclusiones en la pizarra y pedir a los estudiantes que las copien en su cuaderno. Explicar que al separar o acercar dos cargas realizamos un trabajo y hacemos que aumente la energía potencial eléctrica de la carga. Mencionar que si soltamos la carga, esta energía potencial eléctrica se transformará también en energía cinética haciendo que la carga se desplace. Si, por ejemplo, tenemos dos cargas positivas, para acercar una carga a la otra, realizaremos un trabajo, ya que tenemos que vencer la fuerza de repulsión entre las dos cargas. Este trabajo se convierte en energía potencial eléctrica para esa carga. Presentar la información sobre el potencial eléctrico a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 148. Invitar a leer sobre potencial eléctrico y analizar los ejemplos propuestos en el texto. Luego, formular la siguiente pregunta: ¿Cuál es la diferencia entre energía potencial eléctrica y potencial eléctrico? Indicar a los estudiantes que, en su cuaderno, elaboren un organizador gráfico que muestre la relación entre carga eléctrica, interacción entre cargas eléctricas, campo eléctrico y potencial eléctrico. Formar grupos entre los estudiantes, cerciorándose que estén conformados por estudiantes con diferentes ritmos de aprendizaje. Desarrollar dos ejercicios propuestos en la pizarra. Luego invitar a los estudiantes a realizar las actividades 15 a la 28. Solucionario ¿Cómo voy? - ¿Cómo vamos? 4. F = q × E = 10 × 10–6 × 800 = 8 × 10–3 N La fuerza eléctrica es igual a 8 × 10–3 N y está dirigido hacia la derecha. 5. La relación entre la energía potencial gravitatoria y la energía potencial eléctrica es que en ambos casos se almacenan cargas o masas puntuales, que guardan cierta distancia. 6. Respuesta libre 3. El campo eléctrico / 4. El potencial eléctrico Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Explica la naturaleza del campo eléctrico. • Define los conceptos de campo eléctrico y potencial eléctrico. • Calcula y aplica la energía potencial de una carga conocida. Sugerencias didácticas Presentar la información sobre la carga eléctrica a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 146. Invitar a los estudiantes a participar con sus respuestas y anotar las más relevantes en la pizarra. Guiar la discusión hacia la conclusión de que existe un campo eléctrico alrededor de la carga, el cual ejerce una atracción o repulsión hacia otra carga. Leer el texto sobre el campo eléctrico y analizar la información. Pedir a los estudiantes que realicen la actividad planteada en la sección “Aprender a ver” de la página 146. Señalar a los estudiantes que observen las líneas de fuerza y explicar cómo representan las fuerzas de atracción o repulsión entre cargas. Formular la siguiente pregunta: ¿Cómo sabemos cuál es la fuerza ejercida por el campo eléctrico sobre una carga? Explicar que existe una magnitud vectorial llamada intensidad de campo eléctrico, cuyo símbolo es E, que mide las fuerzas que aplica un campo sobre la unidad de carga. Mencionar que la intensidad de los campos eléctricos también se puede hallar a partir de la ley de Coulomb y la ecuación de la intensidad. Solicitar a los estudiantes que calculen en la pizarra el campo eléctrico mediante ejemplos propuestos por el docente. Indicar a los estudiantes que formen parejas y pedirles que propongan una conclusión sobre lo aprendido hasta el momento en la sesión. Algunas de las posibles conclusiones pueden ser las siguientes: − Un campo de fuerza es una forma de representar los efectos que las cargas eléctricas tienen una sobre otras. − La carga crea un “campo” de fuerza en el espacio vacío a su alrededor. Texto escolar (págs. 146-149) Libro de actividades (págs. 128 y 129) 235 234 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 6. TEXTO ESCOLAR TEXTOESCOLAR La intensidad del campo eléctrico Es una magnitud vectorial que mide la acción del campo eléctrico en cada punto de dicho campo. Para determinar el campo eléctrico en un punto del espacio influencia- do por este, se utiliza una carga de prueba positiva q0 muy pequeña y se mide la intensidad de fuerza F que actúa sobre ella. __ › E = _ › F __ q0 Donde: F = fuerza eléctrica en newtons (N). q0 = carga eléctrica en coulombs (C). E = intensidad del campo eléctrico en N/C. Si una región está influenciada por los campos de varias cargas, el campo eléctrico resultante (ER ) es la suma vectorial del campo producido por cada carga. Este hecho se conoce como el principio de superposición. __ › E R = Σ __ › E El campo eléctrico producido por varias cargas puntuales Si el campo eléctrico está formado por varias cargas, como se represen- ta en la imagen del margen, para calcular la intensidad del campo en un punto P (Ep ), se determina la intensidad del campo creado por cada carga mediante la siguiente ecuación: Ep = k × |Q| ___ d2 ¿CÓMO VOY? 4 Calcula la fuerza que experimenta una carga eléctrica positiva de 10 μC cuando se coloca dentro de un campo eléctrico de valor 800 N/C dirigido hacia la derecha. Desarrolla la página 128 del Libro de actividades. PARA SABER MÁS Según el principio de superposición de los campos, si en un punto dado del espacio varias partículas cargadas crean campos eléctricos cuyas intensidades son: _ › E 1 , _ › E 2 , _ › E 3 , … _ › E n , etc. La intensidad resultante será la suma vectorial de las intensidades parciales. _ › E R = _ › E 1 + _ › E 2 + _ › E 3 + … + _ › E n Se muestran dos cargas puntuales en los vértices de un triángulo rectángulo. Calcula la intensidad del campo en el punto P. • Colocamos nuestra carga de prueba q0 (+) en P y trazamos el campo eléctrico E1 , generado por la carga +4 μC, y el campo E2 , generado por la carga –3 μC. • Calculamos E1 y E2 : E1 = 9 × 109 N m2 /C2 × 4 × 10–6 C _________ (0,03)2 = 40 × 106 N/C E2 = 9 × 109 N m2 /C2 × 3 × 10–6 C _________ (0,03)2 = 30 × 106 N/C • Hallamos el campo resultante: ER = √ _______ E1 + E2 = 50 × 106 N/C La intensidad de campo en el punto P (Ep ) es 50 × 106 N/C. EJERCICIO RESUELTO 3 Q _› E + q0 _› F d 3 cm q2 = –3 µC 3 cm q1 = +4 µC P P Q1 Q2 Q3 __ › E2 __ › E3 __ › E1 147 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 147 8/9/16 11:41 AM ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Cómo es el espacio alrededor de una carga? Un campo eléctrico es la perturbación que genera una carga eléctrica en el espacio que la rodea, de manera que si colocamos una carga de prueba en dicho campo, actuará sobre ella una fuerza eléctrica. Las magnitudes que describen a los campos eléctricos son: • La intensidad del campo eléctrico en un punto. • El potencial eléctrico en un punto. Las líneas de fuerza Son las líneas que se utilizan para representar gráficamente un campo eléctrico, las cuales son tangentes, en cada punto, a la intensidad del campo. De la observación de un campo electrostático, podemos apre- ciar el valor de su intensidad en una zona o un punto determinado por la densidad de líneas. Las líneas de fuerza de un campo eléctrico se pueden materializar al producir campos eléctricos intensos. Las siguientes imágenes mues- tran el campo producido por dos cargas: Considerando las imágenes anteriores, podemos deducir una impor- tante característica de las líneas de fuerza, que consiste en que ninguna de estas líneas podrá cruzarse, ya que en cada punto existe una única dirección para el campo eléctrico y, en consecuencia, por cada punto pasa una única línea de fuerza. APRENDER A VER Las líneas de fuerza nos permiten conocer la dirección del campo. • Observa las líneas de fuerza y determina la dirección de las líneas de campo, cuando la carga es positiva y negativa. El campo eléctrico 3 146 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 146 8/9/16 11:41 AM ¿CÓMO VAMOS? 5 Explica la relación entre la energía potencial gravitatoria y la energía potencial eléctrica. 6 Investiga las aplicaciones de la electrostática y elabora un resumen. Desarrolla la página 129 del Libro de actividades. En la imagen se muestran las superficies equipotenciales en una determinada región de un campo eléctrico. Calcula la cantidad de energía que se utiliza para mover una carga q = 5 μC, desde el potencial A hasta el potencial B. • Calculamos la cantidad de energía utilizada desde A hasta B: UA – UB = q0 (VA – VB ) UA – UB = 5 × 10–9 C (20 V – 2 V) = 9 × 10–8 J La cantidad de energía es 9 × 10–8 J. EJERCICIO RESUELTO 5 Dos esferas con cargas de 98 µC y –29 µC, respectivamente, están separadas una distancia de 30 cm, como muestra la figura. Calcula la diferencia de potencial entre los puntos A y B. • Calculamos la distancia de las cargas a los puntos A y B mediante el teorema de Pitágoras obteniendo 25 cm y 39 cm, respectivamente. VA = k × Q1 ___ dA + k × Q2 ___ dA VA = = 9 × 109 Nm2 /C2 × 98 × 10–6 C __________ 25 × 10–2 m + 9 × 109 Nm2 /C2 × –29 × 10–6 C ___________ 25 × 10–2 m VA = 3,5 × 106 V – 1,0 × 106 V VA = 2,5 × 106 V VB = k × Q1 ___ dB + k × Q2 ___ dB VB = 9 × 109 Nm2 /C2 × 98 × 10–6 C __________ 39 × 10–2 m + 9 × 109 Nm2 /C2 × –29 × 10–6 C ___________ 39 × 10–2 m VB = 2,3 × 106 V – 0,7 × 106 V VB = 1,6 × 106 V • Hallamos la diferencia de potencial: VA – VB = 9 × 105 V. La diferencia de potencial entre los puntos A y B es 9 × 105 V. EJERCICIO RESUELTO 6 2 V 11 V 20 V B C A E Q1 = 98 µC Q2 = −29 µC 15 cm 15 cm 20 cm 16 cm A B PARA SABER MÁS El voltímetro es un instrumento que mide la diferencia de potencial. Se conecta en paralelo entre los puntos donde queremos leer el voltaje o diferencia de potencial. Voltímetro 149 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 149 8/9/16 11:41 AM El potencial eléctrico 4 La energía potencial eléctrica Si queremos acercar dos partículas electrizadas de signos iguales, se debe realizar el trabajo para vencer la fuerza eléctrica de repulsión. Este trabajo permite acumular energía, llamada energía potencial eléctrica. La energía potencial eléctrica U, que adquiere una carga q0 colocada en el interior de un campo generado por una carga Q, depende direc- tamente de la cantidad de carga que interactúa e inversamente de la distancia que las separa. U = k × Q × q0 ______ d Donde: U = energía potencial eléctrica en joules (J). Q y q0 = cargas eléctricas en coulombs (C). d = distancia de separación en metros (m). ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Qué es la energía potencial? Una carga de –2 μC es colocada a 3 cm de una carga de +20 μC. ¿Cuál es la energía potencial eléctrica del sistema? • Calculamos la energía potencial eléctrica: U = k × Q × q0 ______ d U = 9 × 109 Nm2 /C2 × –2 × 10–6 C × 20 × 10–6 C ______________________ 0,003 m U = –12 J Observamos que la energía potencial puede resultar positiva o negativa. EJERCICIO RESUELTO 4 Superficies equipotenciales Líneas de fuerza + Las superficies equipotenciales esféricas se presentan en campos creados por una sola carga. El potencial eléctrico El potencial eléctrico en un punto del campo eléctrico es una magni- tud física escalar que expresa el trabajo que se va a realizar para lle- var una unidad de carga desde el infinito hasta dicho punto lejano. VP = W∞ → P ______ q0 Donde: W = trabajo en joules (J). q0 = carga de prueba en coulombs (C). VP = potencial eléctrico en voltios (V). También se puede calcular a partir de la siguiente fórmula: Vp = k × Q __ d0 Donde: Vp = potencial eléctrico en voltios (V). Q = cantidad de carga de la partícula fija en coulombs (C). d0 = distancia entre la carga Q y el punto P en metros (m). La unidad del potencial eléctrico es el joule/coulomb (J/C) o voltio (V). 148 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 148 8/9/16 11:41 AM 237 236 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 7. LIBRO DE ACTIVIDADES Elpotencial eléctrico 4 COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 22 Determina el potencial eléctrico si se tienen dos cargas iguales de 2 × 10–6 C y la fuerza culómbica entre ellas es de 0,4 N. 23 ¿Cuál es la energía potencial eléctrica almacenada en un sistema de dos partículas que se encuentran separadas por una distancia de 0,2 m y cuyas cargas son q1 = 5 × 10–6 C y q2 = 3 × 10–6 C? 24 Calcula la diferencia de potencial (VA – VB ) entre los puntos A y B del campo eléctrico homogéneo de intensidad E = 4 N/C. 25 Calcula la diferencia de potencial (V1 – V2 ) entre los puntos 1 y 2 del campo eléctrico homogéneo de intensidad E = 9 N/C. 26 Calcula el radio de una esfera conductora que posee una carga de 80 nC y un potencial eléctrico de 240 V. 27 En el arreglo de la figura, calcula la diferencia de potencial entre los puntos A y B. 28 El campo eléctrico generado por dos placas paralelas es E = 2,0 × 104 N/C y la distancia entre ellas es d = 5,0 mm. Si un electrón se deja libre y en reposo cerca de la placa negativa, determina la diferencia potencial. EXPLICA EL MUNDO FÍSICO A B 20 cm 15 cm 48 cm 32,5 μC 32,5 μC Calculamos la diferencia de potencial entre las placas: ΔV = E × d ΔV = (2,0 × 104 N/C)(5 × 10–3 m) ΔV = 1,0 × 102 V La diferencia de potencial entre las placas es de 100 V. F = k × q1 ×q2 ______ d2 d2 = 9 × 109 (2 × 10–6 )(2 × 10–6 ) ______________________ 0,4 → d = 0,09 m Como las cargas están distanciadas 0,09 m, entonces: Vp' = 9 × 109 (2 × 10–6 ) ______________ 0,09 → Vp' = Vp = 20 000 V p' q1 q2 0,09 m p U = 9 × 109 (5 × 10–6 )(3 × 10–6 ) ______________________ 0,2 = 0,675 J VA – VB = E × d VA – VB = 4(2 × 10–3 m) = 8 × 10–3 V A B d EA = EB → VA VB E × d = VA – VB → 4 N/C × 0,4 m VA – VB = 1,6 V Vesfera = k × Q ______ resfera 240 = 9 × 109 (80 × 10–9 ) _______________ resfera resfera = 3 m VA = k × Q __ d VA = [ 9 × 109 (32,5 × 10–6 ) _________________ 0,25 ] × 2 VB = k × Q __ d VB = [ 9 × 109 (32,5 × 10–6 ) _________________ 0,52 ] × 2 d = √ ______________ (0,20)2 + (0,48)2 = 0,52 VA – VB = 1215 kV 129 UNIDAD 7 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 Book 1.indb 129 8/8/16 9:15 AM El campo eléctrico 3 COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 15 Dos cargas, Q1 = +6 × 10–6 C y Q2 = –8 × 10–6 C, están separadas 6 m. Halla la intensidad del campo eléctrico. 16 Consideremos las partículas con cargas eléctricas indicadas en la figura si las cargas son: q1 = –10 μC, q2 = 20 μC y q3 = 15 μC. 17 Determina el campo eléctrico generado por una carga de 1 × 10–6 a 80 cm de ella. 18 En una región influenciada por un campo eléctrico se coloca una carga de prueba de 2 μC y se mide una fuerza de 0,4 N. ¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico en dicho punto? 19 En la figura, ¿en qué punto con respecto a la carga de +1 μC la intensidad del campo resultante es nula? 20 Calcula el campo eléctrico resultante en un punto medio de las dos cargas. 21 Calcula la intensidad del campo resultante en el punto B. q1 q2 q3 __ › E2 __ › E1 Q1 = +4 μC Q2 = +1 μC P 2 cm 1 cm 3 cm 3 cm P Q1 = +4 μC Q2 = –3 μC 10 cm10 cm B q2 = 10 μC q1 = 10 μC 30° 30° 3 m 6 × 10–6 C –8 × 10–6 C 3 m __ › E1 __ › E2 P E1 = 9 × 109 (6 × 10–6 ) _______________ (3)2 = 6000 N/C E2 = 9 × 109 (8 × 10–6 ) _______________ (3)2 = 8000 N/C E2 + E1 = 14 000 N/C E1 = 1000 N/C E2 = 6000 KN/C ET = √ ___ 37 × 108 N/C E = 9 × 109 (1 × 10–6 ) _______________ (0,8)2 = 14 062,5 N/C q0 __ › FE __ › E E = FE __ q0 → E = 0,4 _______ 2 × 10–6 E = 2 × 105 NC E1 = E2 → k × q1 ______ x2 = k × q2 _________ (0,15 – x)2 x = 0,05 m 1 μC 4 μC 15 cm __ › E2 __ › E1 E1 = 9 × 109 (10–6 ) ___________ (0,075)2 = 1600 N/C E2 = 9 × 109 (4 × 10–6 ) ______________ (0,075)2 ET = 6400 – 1600 = 4800 kN/C E1 = 2 250 000 N/C E2 = 2 250 000 N/C α = 60° ER = r × E1 2 + E2 2 + 2E1 × E2 × cos α = 2,25 √ __ 3 × 106 N/C 1 μC q1 4 μC q2 20 cm 10 cm 10 cm q2 = 10 μC q1 = 10 μC α 20 cm __ › E1 __ › E2 30°30° 128 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 128 8/8/16 9:15 AM Indicar a los estudiantes que investiguen cómo es actualmente una botella de Leyden. Destacar la fórmula C = Q / ∆ e indicar que con esta fórmula se mide la capacidad de un condensador. Explicar que la capacidad de un condensador depende de la forma y el material del que está hecho. Puede ser plano, cilíndrico, esférico, etc. Pedir a los estudiantes que formen grupos de tres integrantes y pedirles que realicen las actividades 29 a la 34. Luego, invitarlos a evaluar las respuestas intercambiando las soluciones con otro grupo de la clase. Presentar la información sobre la corriente eléctrica a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 152. Explicar que corriente eléctrica se refiere al flujo o movimiento de las cargas eléctricas que se desplazan en determinada dirección a través de un cable o conductor. Leer el texto sobre corriente eléctrica y pedir a los estudiantes que analicen el tema de circuitos eléctricos y sus elementos y los tipos de corriente. Realizar la actividad que se propone en la sección “Articulación con otras áreas”. Pegar en la pizarra un cuadro comparativo sobre el circuito en serie y el circuito en paralelo e identificar las diferencias que los caracterizan. Mantener los mismos grupos de trabajo y solicitar a los estudiantes que realicen las actividades 35 a la 39. Monitorear que todos los integrantes colaboren con el desarrollo de la actividad. Solucionario ¿Cómo voy? - ¿Cómo vamos? 7. Mínima, condensadores en serie: CT = 4,35 µF Máxima, condensadores en paralelo CT = 150 µF 8. Respuesta libre Articulación con otras áreas Comunicación Solicitar a los estudiantes que formen grupos de cuatro integrantes y realicen dos maquetas: una de un circuito en serie y otra de un circuito en paralelo utilizando pilas y focos de linterna con soquete. Pedirles que realicen un video de 2 minutos como máximo, donde se evidencia el trabajo, los materiales, el proceso y los resultados y los integrantes del grupo. Luego de realizado el trabajo, presentar las maquetas en clase y proyectar el video. Realizar la evaluación correspondiente y registrarla correctamente. 5. Capacidad eléctrica y condensadores / 6. La corriente eléctrica Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Define condensador y capacidad eléctrica y deduce el valor de la capacidad de un condensador a partir de su definición. • Identifica el condensador como un dispositivo de almacenamiento de energía electrostática. • Identifica conceptos básicos de corriente eléctrica y circuito eléctrico. • Describe las características de circuitos en serie y en paralelo. Sugerencias didácticas Pedir a los estudiantes que con anterioridad recaben información acerca de nubes, tormentas eléctricas, rayos y pararrayos. Presentar la información sobre la capacidad eléctrica y condensadores a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 150. Luego, formular las siguientes preguntas: ¿Algunas vez han escuchado la palabra condensador? ¿Qué es? ¿Qué propiedad tiene? Presentar en un papelógrafo el siguiente párrafo: “Una nube con fuerte carga de electricidad que se encuentra a 1000 o 1500 metros del suelo se asemeja a un inmenso condensador”. Luego, invitar a los estudiantes a leer el texto sobre la capacidad eléctrica y condensadores. Después de leer el texto y el papelógrafo, formular las siguientes preguntas: ¿Existirá alguna similitud entre un condensador y una nube cargada? ¿Por qué? ¿Qué es una tormenta eléctrica? ¿Por qué se producen los rayos? ¿Qué función cumplirán los pararrayos? Pedir a los estudiantes que definan en su cuaderno qué es un condensador y qué es capacidad eléctrica, luego pedirles que compartan su respuesta con los demás compañeros del aula. Comentar que la botella de Leyden fue el primer condensador que se construyó. En un inicio era una botella de cristal llena de agua, cerrada, con un alambre o una aguja que traspasaba el tapón y estaba en contacto con el agua. La botella se cargaba sujetándola con una mano y poniendo la parte saliente del alambre en contacto con un dispositivo eléctrico. Cuando se interrumpía el contacto entre el alambre y la fuente eléctrica y se tocaba el alambre con la mano, se producía una descarga que se presentaba como una sacudida violenta. Texto escolar (págs. 150-153) Libro de actividades (pág. 130 y 131) 239 238 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 8. TEXTO ESCOLAR TEXTOESCOLAR ¿Cuál es la máxima y la mínima capacidad equivalente que se puede obtener con tres condensadores de 20 μF, 30 μF y 60 μF? • Calculamos la capacidad en los condensadores en serie: 1 ___ CT = 1 _____ 20 µF + 1 _____ 30 µF + 1 _____ 60 µF → 1 ___ CT = 1 _____ 10 µF → CT = 10 µF • Hallamos la capacidad en los condensadores en paralelo: CT = 20 μF + 30 μF + 60 μF → CT = 110 μF La máxima capacidad se obtiene en una asociación en paralelo, y la mínima, en una asociación en serie. EJERCICIO RESUELTO 7 PARA SABER MÁS Consideremos una esfera de radio R que contiene en su superficie una carga Q. Su capacidad estará dada por la siguiente fórmula: C = Q __ V = Q _______ k × Q/R → C = R __ k Donde k = 9 × 109 m/F es la constante eléctrica de Coulomb. ¿Cuál es la capacidad eléctrica que puede tener una esfera de 0,09 m de radio? ¿Qué carga tendrá almacenada cuando el potencial eléctrico en su superficie sea de 12 kV? • C = R __ k → C = 0,09 m ___________ 9 × 10–9 m/F = 10 × 10–12 F • Calculamos la cantidad de carga almacenada en la superficie cuando el potencial es de 12 KV = 12 000 V. Q = C × V = (10 × 10–12 F) (12 000 V) = 1,2 × 10–7 C = 0,12 μC La carga será 0,12 μC. EJERCICIO RESUELTO 9 Se construye un condensador usando dos láminas de aluminio de 20 cm × 20 cm, que se separan por una mica de 1 mm de espesor. La mica tiene una constante dieléctrica de kd = 4. ¿Qué cantidad de carga almacena cuando se conecta a una diferencia de potencial de 10 V? • Calculamos la capacitancia sin dieléctrico: Ci = S _______ 4 π K d = (0,2 m × 0,2 m) _________________________ 4 π × (9 × 109 m/F)1 × 10–3 m = 3,54 × 10 –10 F • Hallamos la capacitancia con el dieléctrico: C = kd × C0 C = 4 (3,54 × 10–10 F) = 1,42 × 10–9 F = 1,42 nF (nanofaradios) • Determinamos la carga almacenada: q = C × ΔV = (1,42 nF) (10 V) = 14,2 nC La carga almacenada será 14,2 nC. EJERCICIO RESUELTO 10 ¿CÓMO VOY? 7 Calcula la máxima y mínima capacidad eléctrica que se puede obtener con 5 condesadores idénticos de 10 μF, 20 μF, 30 μF, 40 μF y 50 μF. Desarrolla la página 130 del Libro de actividades. En la imagen, calcula la capacidad equivalente de la asociación de condensadores. 1 ___ CT = 1 __ C + 1 __ C + … + 1 __ C → 1 ___ CT = n __ C CT = C __ n La capacidad equivalente de los condensadores es C __ n . EJERCICIO RESUELTO 8 n condensadores de capacidad eléctrica G . . . . 151 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 151 8/9/16 11:41 AM Capacidad eléctrica y condensadores ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Se puede almacenar energía? 5 La capacidad eléctrica La cantidad de carga que un condensador puede almacenar depende de su superficie y forma. La capacidad eléctrica se define como la cantidad de carga que puede almacenar un cuerpo en su superficie para que adquiera el potencial de un voltio. C = Q __ V Donde: C = capacidad eléctrica en faradios (F). Q = carga eléctrica en coulombs (C). V = potencial eléctrico en voltios (V). El condensador eléctrico Un condensador eléctrico es el dispositivo capaz de almacenar cargas eléctricas de manera que el sistema adquiera energía potencial. La cantidad de carga q que almacena un condensador depende directa- mente del voltaje V que aplica la batería. q = C × ΔV Asociación de condensadores Los circuitos eléctricos contienen a menudo varios condensadores fre- cuentemente unidos entre sí. Esta asociación de condensadores puede ser de varias formas; las más simples son la asociación en serie y la asociación en paralelo. Estas asociaciones de condensadores en los circuitos tienen como fi- nalidad conseguir un efecto análogo al que produciría un condensador de características definidas del que no se dispone o bien por exigencias propias del circuito. En serie En paralelo Las placas se colocan una a continuación de otra. La primera y la última placa se conectan a una diferencia de potencial V. qT = q1 = q2 = q3 VT = V1 + V2 + V3 1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 Cada condensador es conectado a la misma diferencia de potencial entre sus placas y almacena una carga proporcional a su capacidad. qT = q1 + q2 + q3 VT = V1 = V2 = V3 CT = C1 + C2 + C3 Asociación de condensadores en serie. Asociación de condensadores en paralelo. C1 C2 C3 C1 C2 C3 150 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 150 8/9/16 11:41 AM Cable Motor Interruptor Foco Pila o generador Interruptor Motor M X Foco Cable Pila Los circuitos en serie y en paralelo En un circuito los elementos que lo componen se pueden disponer de dos maneras básicas: en serie y en paralelo. Serie Paralelo • Los elementos se disponen uno a continuación de otro en una misma rama del circuito. • La intensidad de la corriente es la misma en todos los puntos del circuito. • El circuito deja de funcionar si un foco no funciona. • Los elementos se disponen en distintas ramas del circuito, los cuales se vuelven a reunir. • Los puntos tienen la misma diferencia de potencia. • El resto de focos sigue funcionando si un foco se daña. Los circuitos eléctricos Un circuito eléctrico está formado por un conjunto de elementos conec- tados entre sí, de manera que constituyen un “ruta” que permite la cir- culación de la corriente eléctrica. Un circuito se compone básicamente de los siguientes dispositivos: un generador de corriente, una resisten- cia o un receptor, un interruptor y unos conductores. Los elementos de un circuito Un circuito eléctrico está formado por dis- tintos elementos. Los símbolos que se em- plean para representar- los se observan en la tabla de la izquierda. Símbolos utilizados en un circuito eléctrico Elementos Símbolos Conductor Pila Resistencia Interruptor abierto Interruptor cerrado Motor Generador Amperímetro (aparato que mide la intensidad de corriente) Voltímetro (aparato que mide la diferencia de potencial) ¿CÓMO VAMOS? 8 Diseña un circuito cerrado donde dos resistencias en serie están conectadas a tres resistencias en paralelo. Desarrolla la página 131 del Libro de actividades. Representación simbólica del circuito 153 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 153 8/9/16 11:41 AM PARA SABER MÁS La corriente eléctrica presenta diversos efectos, entre ellos tenemos: – Efectos caloríficos. Cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, este aumenta su temperatura. – Efectos químicos. Cuando la corriente eléctrica circula por un conductor iónico, dicha corriente es capaz de producir un cambio químico en el conductor. – Efectos magnéticos. El paso de la corriente eléctrica a través de un conductor crea un campo eléctrico similar al que produce un imán. La corriente eléctrica 6 Basta una mirada rápida alrededor para darnos cuenta de lo importante que resulta en la vida cotidiana la electricidad. Pero ¿cómo llega la elec- tricidad a nuestros hogares? La corriente eléctrica consiste en el desplazamiento ordenado de cargas eléctricas, normalmente electrones, que se mueven por un hilo conductor. Para que se produzca una corriente se necesita: • Cargas que puedan moverse. • Sustancias conductoras por donde puedan desplazarse las cargas. • Generadores, dispositivos que, manteniendo el desequilibrio de car- gas y aportando la energía necesaria, consiguen el movimiento de dichas cargas. Tipos de corriente eléctrica Los tipos de corriente pueden ser: Corriente continua (CC) o (DC) Corriente alterna (CA) o (AC) Se produce cuando el flujo de cargas se dirige en una sola dirección. Este tipo de corriente se obtiene de las pilas y las baterías, las cuales son llamadas fuentes continuas. Se produce cuando el flujo de cargas cambia de dirección con cierta frecuencia. Esta corriente se obtiene de los generadores eléctricos y las centrales hidroeléctricas, las cuales son llamados fuentes alternas. ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Cómo llega la electricidad a nuestros aparatos eléctricos? La lámpara que ilumina tu habitación, los electrodomésticos de tu casa o el celular son todos ejemplos de aparatos que funcionan gracias a la corriente eléctrica. Cargas eléctricas en movimiento Conductor Shutterstock Shutterstock t (s) I (A) t (s) I (A) 152 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 152 8/9/16 11:41 AM 241 240 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 9. LIBRO DE ACTIVIDADES COMPRENDEY USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS ____ 35 Escribe V, si la afirmación es verdadera o F, si es falsa. Luego, justifica tu respuesta en tu cuaderno. La corriente eléctrica es un concepto asociado al movimiento de cargas. Uno de los efectos producidos por la corriente eléctrica es el desprendimiento de calor cuando hay flujo de electrones. Cuando hay flujo de electrones por un circuito, estos se mueven del polo positivo al polo negativo. La función de un generador es suministrar energía a los electrones libres de un conductor, de manera que puedan moverse por la conexión eléctrica. La corriente eléctrica solo necesita de un generador para que pueda producirse. 36 Muchos aparatos eléctricos utilizan la corriente eléctrica para obtener otro tipo de energía, como calorífica, luminosa, magnética, mecánica o química. En los siguientes aparatos, indica qué efecto de la corriente eléctrica se utiliza. 37 Relaciona las columnas. EVALÚA LAS IMPLICANCIAS DEL SABER _______________ 38 Los generadores transforman diferentes tipos de energía. En cada caso propón un ejemplo para cada transformación realizada. • De energía química a energía eléctrica. ____________________________________________ ____________________________________________ • De energía mecánica a energía eléctrica. ____________________________________________ ____________________________________________ • De energía luminosa a energía eléctrica. ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ 39 Explica en pocas palabras por qué se produce el efecto Joule. ¿Es siempre beneficioso? _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ La corriente eléctrica 6 Pilas, baterías, etc. Centrales eléctricas. El flujo de cargas cambia constantemente de dirección. El flujo de cargas se dirige en una sola dirección. Corriente alterna Corriente continua EXPLICA EL MUNDO FÍSICO Energía luminosa Energía luminosa Energía luminosa Energía calorífica o térmica Energía mecánica Por ejemplo, las pilas y las baterías se usan en multitud de aparatos portátiles. Por ejemplo, los alternadores que se emplean en centrales eléctricas, hidroeléctricas, nucleares, etc. Por ejemplo, las células fotovoltaicas. Estos generadores se emplean en centrales solares y paneles que se instalan en satélites artificiales o azoteas. Al pasar corriente eléctrica por un conductor, el efecto Joule se produce cuando los choques entre los electrones en movimiento y las partículas que forman el hilo provocan calor. Este efecto puede tener consecuencias negativas, porque los cables por los que circula la corriente se calientan y en algunas ocasiones deben ser refrigerados. F V V v F 131 UNIDAD 7 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 Book 1.indb 131 8/8/16 9:15 AM Capacidad eléctrica y condensadores 5 COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 29 En la superficie de un disco se han depositado 10 μC que alcanzan un potencial eléctrico de 2 V en su superficie. ¿Cuál es la capacidad eléctrica del disco? 30 ¿Qué carga tendrá almacenada cuando el potencial eléctrico en su superficie es de 12 kV y tiene una capacidad de 10 × 10–12 F? 31 Una vez que el condensador queda cargado, puede ser usado como fuente de energía: Un condensador actúa como un reservorio de carga eléctrica. E = 1 __ 2 C × V2 Un condensador de placas de aluminio separados por una lámina de mica tiene una capacidad eléctrica de 4 μF. Calcula: • La cantidad de carga. • La energía que almacenará el condensador cuando se conecte a una batería de 12 V. 32 La capacidad de tres condensadores conectados en serie es de 10 μF. Si cada uno está conectado a un generador de 240 V, calcula la caída del potencial o voltaje en cada condensador. (Dato: 1 μF = 10–6 F) 33 ¿Cuál es la capacidad eléctrica máxima y mínima que se puede obtener con 10 condensadores idénticos de capacidad C = 30 μF? 34 ¿Qué aplicaciones tiene un condensador? _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ 240 V C C C – + 12 kV = 12 000 V Q = C × V = (10 × 10–12 F) (12 000 V) = 1,2 × 10–7 C Q = 0,12 μC Calculamos la capacidad equivalente: 1 __ CT = 1 __ C + 1 __ C + 1 __ C = 3 __ C → CT = C __ 3 CT = 10 × 10–6 F __________ 3 → CT = 1 __ 3 × 10–5 F Calculamos las cargas: Q1 = Q2 = Q3 = CT V CT V = 1/3 × 10–5 F × 240 V CT V = 8 × 10–4 C V1 = V2 = V3 = 8 × 10–4 C __________ 10 × 10–6 F = 80 V Calculamos la cantidad de carga: q = (4 μF)(12 V) q = 48 μC Calculamos la energía almacenada: E = 1 __ 2 C × V2 = 1 __ 2 q × V E = 1 __ 2 (48 μC)(12 V) E = 288 μJ En paralelo: CT = C1 + C2 + C3 + … + C10 CT = 30 × 10–6 + 30 × 10–6 + … + 30 × 10–6 CT = 3 × 10–4 μF (máxima) En serie: 1 __ CT = 1 __ C1 + 1 __ C2 + 1 __ C3 + … + 1 ___ C10 1 __ CT = 1 ________ 30 × 10–6 + 1 ________ 30 × 10–6 + 1 ________ 30 × 10–6 + … + 1 ________ 30 × 10–6 CT = 3 × 10–6 μF (mínima) En la electroforesis, que es un mecanismo de transporte electrocinético no lineal que puede ser usado para concentrar y separar biopartículas, como bacterias, virus, parásitos, proteínas, ADN, etc. C = Q __ V → C = 10 μC ______ 2 V = 5 μF (5 microfaradios) 130 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 130 8/8/16 9:15 AM Explicar que la resistencia eléctrica de un cuerpo depende de diversos factores: – Factores geométricos: un alambre delgado ofrece más resistencia que un alambre grueso del mismo material. También un alambre largo tendrá un valor de resistencia mayor que otro del mismo material y del mismo grosor, pero más corto. – Factores respecto al material del que están hechos y su estructura interna: un alambre de platino ofrece menos resistencia a la corriente que uno de hierro de igual forma y tamaño. Presentar la fórmula para calcular la resistencia de un cuerpo. Destacar que cuando mayor es la resistividad de un material, peor conductor es. Escribir las siguientes palabras y oraciones en tarjetas: intensidad, resistencia, tensión o voltaje, “se mide en ampere y es la cantidad de electrones que pasan por un conductor”, “es la oposición al paso de la corriente’, “se mide en ohm” y “es la fuerza con la que circulan los electrones por el conductor, se mide en voltios”. Realizar la siguiente dinámica: entregar las tarjetas a diversos estudiantes y pedirles que relacionen las palabras con las oraciones. Explicar que si relacionamos estas magnitudes, obtendremos una fórmula que se conoce con el nombre de ley de Ohm. Analizar la ley de Ohm. Mientras más intensidad circula por el circuito, menor resistencia hay, y si circula poca intensidad, habrá una resistencia elevada. Proponer que resuelvan los ejemplos y grafiquen los siguientes circuitos utilizando la simbología correspondiente: – ¿Calcula la resistencia total si tres resistencias en serie de 4 ohmios cada una están conectadas a un circuito en serie? – ¿En cuánto varía la resistencia total si las tres resistencias se encuentran conectadas en paralelo? Indicar a los estudiantes que lean la información del recuadro “Sé autónomo” de la página 156 y respondan la pregunta propuesta. Luego, pedir a algunos voluntarios que compartan sus respuestas ante el aula. Invitar a los estudiantes que realicen las actividades 40 a la 48. Brindar el tiempo necesario para que desarrollen las actividades. Al terminar, sugerir a los integrantes que compartan sus respuestas. Invitar a un representante de cada grupo a resolver y explicar la solución del ejercicio. Solucionario ¿Cómo voy? 9. Iluminara más en un circuito paralelo. 10. La fuerza electromotriz o fem es igual ε = W / q , por lo tanto: ε = 3 / 2 = 1,5 V 7 . Las magnitudes eléctricas Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Identifica conceptos básicos sobre magnitudes eléctricas. • Describe resistencias en serie y en paralelo. • Aplica la ley de Ohm. Sugerencias didácticas Presentar la información sobre las magnitudes eléctricas a partir de la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 154. Indicar que las magnitudes eléctricas nos permiten medir y conocer datos importantes sobre la corriente eléctrica. Mencionar que en la sesión conocerán qué es intensidad, resistencia y la diferencia de potencial. Formar grupos de cuatro integrantes. Procurar que estén conformados por estudiantes con diferentes ritmos de aprendizaje y de esta manera puedan apoyarse unos a otros. Indicarles que realicen la experiencia propuesta en la sección “Experimentamos” de la página 154. Invitar a los estudiantes a leer sobre las magnitudes eléctricas. Luego, solicitarles que expliquen los conceptos de intensidad, diferencia de potencial y resistencia mediante un ejemplo real. Algunos ejemplos que pueden plantear los estudiantes son: – Para intensidad de corriente: si nos paramos al borde de una carretera y contáramos la cantidad de carros que pasan en un segundo, mediríamos la intensidad con que fluyen los carros en una unidad de tiempo; es decir, haríamos la función que realiza un amperímetro. – Para diferencia de potencial: si tenemos que mover un carro de juguete de un punto a otro bastaría con inclinar la pista unos centímetros para que exista una diferencia en sus alturas. – Para resistencia eléctrica: en una maratón, un atleta va en sentido contrario a los demás corredores. Analizar los ejemplos propuestos en la pizarra. El docente podría proponer otros ejemplos si lo cree conveniente. Realizar la siguiente comparación para comprender mejor sobre resistencia eléctrica: cuando el agua circula por una cañería, la resistencia de la cañería depende de su diámetro y su largo. Mencionar que cuanto mayor es el diámetro, más cantidad de agua fluye, pero la resistencia del caño es menor; cuanto más larga es la cañería, mayor es la resistencia que ofrece al flujo del líquido. Texto escolar (págs. 154-157) Libro de actividades (págs. 132 y 133) 243 242 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 10. TEXTO ESCOLAR TEXTOESCOLAR La resistencia se debe a la oposición que encuentran las cargas eléctricas que se mueven por un circuito. Hilo conductor La diferencia de potencial La diferencia de potencial entre dos puntos A y B, VA – VB , es la energía por unidad de carga que se emplea para mover una carga de prueba q0 desde el punto A hasta el punto B a velocidad constante. ΔV = VA – VB = Δ U ____ q0 En el sistema internacional, la diferencia de potencial o voltaje se mide en voltios (V). Para medir la diferencia de potencial en un elemento de un circuito se utiliza un voltímetro. La resistencia Cuando una determinada intensidad de corriente atraviesa un elemento de un circuito, los electrones chocan con las partículas “fijas” presen- tes en el conductor. Perderán más o menos energía dependiendo de la oposición o resistencia que ese elemento ofrezca al paso de la corriente. La resistencia (R) de un conductor es la oposición que ofrece al paso de la corriente. Depende de su longitud, de su grosor y del material del que está hecho (cobre, plomo, plata, etc.). Para un determinado material, la resistencia es mayor cuanto más largo y estrecho sea el conductor. R = ρ × L __ A Donde: R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω). ρ = resistividad en ohmio-metros (Ω-m). L = longitud del cable en metros (m). A = área de la sección transversal (m2 ). Para medir el valor de la resistencia de un elemento en un circuito, se emplea un aparato llamado óhmetro. La fuerza electromotriz (ε) Se denomina fuerza electromotriz o fem a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello, se necesita una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito ce- rrado. Para entender mejor lo que es la fuerza electromotriz, podemos asimilarlo al funcionamiento de una bomba de agua: la bomba es la fuerza (el voltaje) que impulsa el agua (la corriente) a través de la tubería. PARA SABER MÁS Un campo eléctrico es uniforme si en cualquier punto del campo su dirección e intensidad son las mismas. Las líneas de fuerza del campo eléctrico son rectas paralelas y perpendiculares a las placas. La fuerza eléctrica FE necesaria para llevar la carga desde A hasta B es igual a q0 × E. Entonces, la ecuación anterior puede escribirse: Δ V = E × d Bomba Tubería Corriente A B d F E 155 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 155 8/9/16 11:41 AM En un circuito eléctrico nos interesa conocer la intensidad de corriente, que pasa por cada elemento y la di- ferencia de potencial o tensión que se produce. Estas magnitudes están relacionadas con la oposición o resis- tencia de los elementos del circuito. La intensidad de corriente Imagina que puedes hacer un corte transversal en un conductor y contar las cargas que pasan cada segundo. Definimos la intensidad de corriente eléctrica como la cantidad de carga por unidad de tiempo que atraviesa la sección transversal de un hilo conductor. I = Δq ___ Δt Donde: I = intensidad de corriente eléctrica en amperios (A). Δq = cantidad de carga eléctrica en coulombs (C). Δt = tiempo en segundos (s). En el SI, la intensidad se mide en amperios (A) y con un aparato llamado amperímetro. Por un conductor circula una intensidad de 1 A cuando lo atraviesa una carga de 1 C cada segundo. EXPERIMENTAMOS Conductores de electricidad Materiales: 2 pilas de 1,5 V, cinta aislante, 2 alambres de unos 30 cm, pinzas, 1 foco de 2,5 V (de linterna), 1 base para el foco (soquete), objetos metálicos (llaves, monedas, cables, alambres, pedazos de latas), objetos elaborados a base de varios materiales (plumas, cuadernos, papeles, lápices, reglas de madera, juguetes de plástico, etc.), grafito de un lápiz o una mina de lapicero. 1. Usen las pinzas para armar un circuito eléctrico simple con los cables, las pilas y el foco en la base para el foco. Trabajen con cuidado para no lastimarse. Observen la imagen. Unan los cables libres y verifiquen que el foco encienda. 2. Coloquen los alambres, separados unos 5 cm, sobre alguno de los objetos que consiguieron. Observen lo que pasa con el foco. 3. Repitan el procedimiento anterior con todos los objetos que consiguieron. Analiza los resultados • ¿Cuáles son los objetos conductores y no conductores de la electricidad? • ¿De qué material están hechos los objetos que conducen la electricidad? Las magnitudes eléctricas 7 ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Cómo se mide la electricidad? Movimiento de las cargas dentro de un conductor. 154 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 154 8/9/16 11:41 AM En el circuito, calcula la intensidad que circula por el amperímetro. • Calculamos la resistencia en paralelo R1 y R2 : 1 _______ Req. (1 + 2) = 1 _____ 10 Ω + 1 _____ 10 Ω → Req. (1 + 2) = 5,0 Ω • Hallamos la resistencia en serie Req. (1 + 2) y R3 . Req. (1 + 2 + 3) + Req. (1 + 2) + R3 = 5,0 Ω + 10 Ω • Aplicamos la ley de Ohm: I = Δ V ________ Req. (1 + 2 + 3) = 4,5 V _____ 15 Ω = 0,30 La intensidad de corriente será 0,30 A. EJERCICIO RESUELTO 14 Cálculo de circuitos eléctricos En un circuito, los elementos están conectados uno a continuación del otro. Estos elementos que forman parte de un circuito pueden agrupar- se en serie, en paralelo o formando una agrupación mixta. Resistencia en serie Resistencia en paralelo Circuito ΔV1 ΔV R1 R2 ΔV2 I R1 ΔV A B I1 I2 IT R2 Intensidad I1 = I2 = … = In IT = I1 + I2 Diferencia de potencial ΔV = ΔV1 + ΔV2 ΔV1 = ΔV2 Resistencia Req. = R1 + R2 + … + Rn 1 ____ Req. = 1 ___ R1 + 1 ___ R2 En un circuito mixto existen elementos conectados en serie y otros en paralelo. Para resolver el circuito, vamos reduciendo paso a paso cada resistencia hasta que nos quedemos con una. R1 = 10 Ω R2 = 10 Ω R3 = 10 Ω 4,5 V ¿CÓMO VOY? 9 Tenemos tres focos iguales de la misma resistencia. ¿Iluminarán más si los conectamos en serie o en paralelo? 10 Una fuente fem realiza un trabajo de 3 J para llevar una carga de 2 C de un extremo a otro. Calcula la diferencia de potencial. Desarrolla las páginas 132 y 133 del Libro de actividades. 157 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 157 8/9/16 11:41 AM Por un conductor de aluminio de 1 mm de diámetro y 10 m de largo, circula una corriente de 2 mA en 1 minuto. Calcula: a. La carga eléctrica que pasa por el conductor. b. La resistencia del conductor. a. Calculamos la carga eléctrica: I = q __ t → q = I × t = (0,002 A) (60 s) = 0,12 C b. Hallamos la resistencia eléctrica usando el valor de la resistividad del aluminio. R = ρ × L __ A → R = 2,8 × 10–8 (Ω – m) × 10 m _________ ρ (10–3 m)2 = 0,089 Ω Entonces, por el conductor pasa una carga eléctrica de 0,12 C y su resistencia es de 0,089 Ω. EJERCICIO RESUELTO 11 La ley de Ohm La intensidad, la diferencia de potencial y la resistencia, están relacio- nadas a través de una expresión propuesta por el físico alemán George Simon Ohm (1789-1854). En 1826, Ohm comprobó experimentalmente que la intensidad de co- rriente I que circula por un alambre es directamente proporcional a la diferencia de potencial V entre los extremos del alambre e inversamen- te proporcional a su resistencia R. Este resultado es conocido como la ley de Ohm. I = V __ R Donde: I = intensidad de corriente en amperios (A). V = diferencia de potencial en voltios (V). R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω m). Calcular la resistencia de un conductor por el que circula una corriente de 2 A bajo una tensión de 12 V. I = Δ V ___ R → 2 A = 12 V ____ R → R = 6 Ω La resistencia del conductor es 6 Ω. EJERCICIO RESUELTO 12 EJERCICIO RESUELTO 13 Una resistencia de carbono de 10 ohms es conectada a una pila. Para medir el voltaje y la intensidad de corriente que pasa por el conductor, se conecta un voltímetro y un amperímetro a la resistencia. Calcula la lectura del amperímetro cuando el voltímetro marque 3 V. • Calculamos la intensidad de corriente usando la ley de Ohm: I = V __ R → I = 3 V _____ 10 Ω = 0,3 A La intensidad de corriente es 0,3 A. SÉ AUTÓNOMO A principios del siglo xix, el físico alemán Georg S. Ohm (1787-1854), profesor de secundaria, se propuso establecer experimentalmente la relación entre la diferencia de potencial aplicada a los extremos de un conductor y la intensidad de corriente que circulaba por él. Para investigar esta relación, construyó un circuito al que iba añadiendo pilas iguales conectadas en serie. Al medir la intensidad, comprobó que esta era proporcional al número de pilas intercaladas o, lo que es lo mismo, a la diferencia de potencial. La conclusión es la ley de Ohm que postula que la relación entre la diferencia de potencial aplicada a los extremos de un conductor y la intensidad de corriente que circula por él es siempre la misma. A esa constante la denominamos resistencia del conductor. • ¿Cómo comprobarías la ley de Ohm? Argumenta. 156 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 156 8/9/16 11:41 AM 245 244 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 11. LIBRO DE ACTIVIDADES 45Calcula la resistencia equivalente a este circuito si R1 = 5Ω, R2 = 4Ω, R3 = 12 Ω y R4 = 10 Ω 46 Calcula la resistencia equivalente a este circuito si R1 = 6 Ω, R2 = 4Ω, R3 = 5 Ω, R4 = 8 Ω y R5 = 7Ω. 47 ¿Crees que la intensidad de corriente puede variar según como se asocien las resistencias? _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ 48 En el circuito mostrado, calcula la corriente total que suministra la fuente, si R1 = 3 Ω, R2 = 6 Ω, R3 = 2 Ω, R4 = 4 Ω, r = 1 Ω y ε = 9 V. EXPLICA EL MUNDO FÍSICO R1 R2 R4 R3 R4 R2 R5 R3 R1 R4 R2 R1 R3 r ε Calculamos R para el circuito paralelo: 1 _______ Req. (2 + 3) = 1 __ 4 + 1 ___ 12 = 4 ___ 12 = 1 __ 3 Req. (2 + 3) = 3 Ω Hallamos la resistencia total: RT = R1 + Req. (2 + 3) + R4 RT = 5 + 3 + 10 = 18 Ω Calculamos la resistencia equivalente de las resistencias en serie: Req. (1 + 2) = 6 + 4 = 10 Ω Req. (3 + 4) = 5 + 8 = 13 Ω Hallamos la Req. de las resistencias en paralelo: 1/Req. (paralelo) = 1 ___ 10 + 1 ___ 13 = 23 ____ 130 Req. (paralelo) = 130 ____ 23 = 5,65 Ω Determinamos la resistencia total: RT = Req. (paralelo) + R5 RT = 5,65 + 7 RT = 12,65 Ω En un arreglo de resistencias en serie, la corriente que pasa por ellas es la misma, mientras que en un arreglo de resistencias en paralelo, la corriente que pasa por cada rama es proporcional al valor de cada una de ellas. Calculamos la resistencia equivalente Req. 1 de las resistencias R1 = 3 Ω y R2 = 6 Ω, que están en paralelo; luego el circuito queda: En este nuevo arreglo, observa que la resistencia R3 = 2 Ω y Req. 1 = 2 Ω están en serie. Calculamos la resistencia equivalente Req. 2 de estos dos; luego, el circuito queda: Req. 2 = 2 Ω + 2 Ω Req. 2 = 4 Ω Ahora Req. 2 = 4 Ω está en paralelo con R4 = 4 Ω. Calculamos la resistencia equivalente Req. 3 y el circuito se reduce a: La corriente total es Itotal = ε __ Rt = 9 v ___ 3 Ω → Itotal = 3 A Req. 1 = 2Ω R3 R4 r ε Req. 3 = 2 Ω r = 1 Ω ε 1 ____ Req. 1 = 1 ___ 3 Ω + 1 ___ 6 Ω = 1 ___ 2 Ω Req. 1 = 2 Ω 1 ____ Req. 3 = 1 ___ 4 Ω + 1 ___ 4 Ω = 2 ___ 4 Ω Req. 3 = 2 Ω Req. 2 = 4Ω R4 r ε 133 UNIDAD 7 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 Book 1.indb 133 8/8/16 9:15 AM COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 40 Por un conductor circula una intensidad de corriente de 10 mA. Calcula la carga que circula y el tiempo en los siguientes casos: Cargas Tiempo Intensidad 3 0,01 1 0,01 10 0,01 60 41 Observa atentamente la gráfica. Luego, realiza lo que se indica. • ¿Qué relación existe entre I y ∆ V? ____________________________________________ • Calcula el valor de la pendiente. ____________________________________________ • ¿Qué significado físico tiene la pendiente de la recta? ____________________________________________ • ¿Cuál será la intensidad de corriente para un voltaje de 20 V? ____________________________________________ 42 Una resistencia de 4 kΩ se conecta a una batería de 12 V. ¿Cuál es la intensidad de corriente que circula por la resistencia? 43 A un conductor se le aplican distintos voltajes. En la siguiente tabla se muestran junto con la intensidad de corriente que circula en cada caso. ΔV (V) 1 2 3 5 7 I (A) 0,2 0,4 0,6 1 1,4 • Representa gráficamente ∆ V frente a I. • ¿Qué relación se puede establecer entre el voltaje y la intensidad? • ¿Qué significado físico tiene la pendiente de la recta obtenida? ¿Cuál es su valor? _________________________________________________ _________________________________________________ 44 Por un foco conectado a 220 V pasa una intensidad de corriente de 0,1 A. Calcula: • La resistencia que tiene el foco. • La carga eléctrica que ha circulado por el foco en 30 min. Las magnitudes eléctricas 7 10 ΔV (V) 8 6 4 0 1,0 0,5 1,5 2,0 I (A) 2 2,5 300 0,01 1000 0.6 0,01 La pendiente de la recta es la resistencia del conductor. Su valor es de 5 Ω. R = ∆V/I ∆ V ___ I = 1 ___ 0,2 = 2 ___ 0,4 = 3 ___ 0,6 = 5 __ 1 = 7 ___ 1,4 = 5 Calculamos la resistencia aplicando la ley de Ohm: R = ∆ V ___ I = 220 V ______ 0,1 A = 2200 Ω La carga eléctrica se puede calcular a partir de Q = I × t. Sustituyendo los valores de la intensidad y del tiempo (1800 s) obtenemos: Q = 0,1 A × 1800 s = 180 C 0,25 El valor de la resistencia. 4 5 A I = V __ R → I = 12 _______ 4 × 103 → I = 3 × 10–3 A 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ΔV (V) I (A) 132 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 132 8/8/16 9:15 AM Pedir a los estudiantes que relacionen los siguientes elementos e identifiquen que tienen en común: – Una plancha enchufada por unos minutos – La computadora encendida por unas minutos u horas – Un televisor encendido – Una refrigeradora enchufada Propiciar que los estudiantes concluyan que estos ejemplos tienen en común que desprenden calor cuando están encendidos. Mencionar que a esto se le conoce como el efecto Joule. Desarrollar con los estudiantes la secuencia digital del portafolio. Formar grupos entre los estudiantes. Monitorear que los equipos estén conformados por alumnos con diferentes ritmos de aprendizaje. Invitar a los estudiantes a que realicen las actividades 49 a la 59. Luego, pedir a los estudiantes que compartan sus repuestas con los demás compañeros del aula. Solucionario ¿Cómo voy? 11. a. E = P × t = 1500 W × 2 h = 3000 W/h = 3 kW/h b. I = P / ∆V = 1500 W / 220 V = 6,82 A Información complementaria ¿Cómo llega la luz a nuestro hogar? La generación. Consiste en la producción de electricidad en centrales eléctricas a través de diversas fuentes. En el Perú existen unas 62 centrales eléctricas con una potencia total instalada de 11203 MW. La transmisión. Consiste en transferir la energía eléctrica de alta tensión o voltaje (66 kV, 220 kV, etc.) desde las centrales eléctricas hacia las subestaciones de las empresas de distribución. El sistema de transmisión se realiza por un conjunto de líneas (cables conductores), torres y subestaciones donde hay unos transformadores que elevan o reducen la tensión para permitir las interconexiones. La distribución. La realizan las empresas distribuidoras que están encargadas de recibir energía de las transmisoras y llevarlas hacia el usuario final en condiciones controladas (voltaje, frecuencia, calidad). Las líneas de distribución operan a menor tensión o voltaje que la líneas de transmisión, a través de redes de media (10 kV) y baja tensión (440 V, 220 V), mediante las cuales se lleva la electricidad desde las subestaciones hasta los hogares, comercios y fábricas. 8. La energía eléctrica Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Describe qué es la energía eléctrica y su importancia en nuestros días. • Observa situaciones para explicar el efecto Joule. Sugerencias didácticas Escribir la siguiente pregunta en la pizarra: ¿Qué ocurriría si en este momento nos quedamos sin energía eléctrica por una semana? Motivar a los estudiantes a reflexionar sobre la pregunta. Luego, entregar a cada uno media hoja bond y pedirles que escriban una consecuencia que se deriva de la pregunta planteada y animarlos a que la peguen en la pizarra. Analizar sus respuestas y reflexionar sobre la importancia de la electricidad en nuestros días. Mencionar que en esta clase se profundizará sobre el significado de energía eléctrica y su importancia. Presentar un papelógrafo con las siguientes preguntas e indicarles que elijan la respuesta correcta: (Respuestas: 1. b, 2. c) 1. La mayoría de los aparatos que utilizamos hoy en día funcionan con: a. Energía mecánica b. Energía eléctrica c. Energía térmica 2. Para conseguir energía eléctrica necesitamos: a. Un enchufe que nos permita conectarnos a la red b. Obtener energía eléctrica, por ejemplo, a través de una batería c. Las dos respuestas son válidas Llevar a clase una lámpara y pedir a un voluntario que acerque su mano hacia la lámpara y la mantenga ahí por un buen rato. Luego, preguntarle ¿qué sintió? Explicar que el foco de una lámpara común transforma 5 % de la energía eléctrica que recibe en luz y el resto se disipa al ambiente como calor. Formular la pregunta del recuadro “¿Qué recuerdo?” de la página 158; luego, destacar las ideas relevantes. Reforzar las ideas leyendo la información presentada sobre la energía eléctrica. Mostrar en clase una batería común e indicar que esta es una fuente generadora de energía eléctrica, pero de menor escala; es decir, la corriente eléctrica que sale de la batería comparada con la corriente que tomamos de los enchufes de las casas es muy pequeña. Texto escolar (págs. 158 y 159) Libro de actividades (págs. 134 y 135) 247 246 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 12. TEXTO ESCOLAR LIBRODE ACTIVIDADES ¿CÓMO VAMOS? 11 Una lavadora funciona durante 2 h con una potencia eléctrica de 1500 W y un voltaje de 220 V. Calcula: a. La energía eléctrica que necesita la lavadora. b. La intensidad de la corriente que circula por la lavadora. Desarrolla las páginas 134 y 135 del Libro de actividades. En la base de una lámpara, aparece la inscripción 230 V - 40 W. Con estos datos, calcula la energía consumida en 8 h de funcionamiento y la potencia que desarrollará la lámpara si se conecta a una tensión de 110 V. Las inscripciones que aparecen en la lámpara significan: – La tensión máxima a la que se puede conectar: V = 230 V. – La potencia eléctrica: P = 40 W. • Calculamos la intensidad de corriente que circula por la lámpara cuando se conecta a dicha tensión: I = P ___ ∆ V = 40 W ______ 230 W = 0,17 A • Hallamos la resistencia según la ley de Ohm: R = ∆ V ___ I = 230 V ______ 0,18 A = 1,353 Ω • Determinamos la energía consumida en kW/h: P = ∆ V × I = ∆ V × ∆ V ___ R = ∆ V2 ____ R = 1102 _____ 1,353 = 8,9 W • Calculamos la potencia: E = P × t = 40 W × 1 kW ______ 103 W × 8 h = 0,32 kW/h Esto se traduce en que la lámpara ilumina menos. EJERCICIO RESUELTO 15 Una plancha tiene las siguientes especificaciones: 220 V y 1200 Ω. a.¿Cuál es la resistencia? b.¿Cuánto pagarías por 16 h de uso al mes si el kilowatt/hora cuesta 0,5 soles? a. Calculamos la resistencia conociendo el voltaje y la potencia: P = V2 ___ R → R = V2 ___ P R = (220 V)2 _______ 1200 W = 40,3 Ω b. Hallamos la energía consumida en 16 h, usando la potencia de la plancha. E = P × t = (1200 W) × (16 h) E = 19 200 Wh = 19,2 kW/h El costo de este consumo es 19,2 (S/ 0,5) = S/ 9,60. EJERCICIO RESUELTO 16 PARA TENER EN CUENTA Reemplazando las ecuaciones de la energía eléctrica suministrada y disipada tenemos: • Para una batería: P = I × ε • Para una resistencia: P = I × V = I2 × R = V2 ___ R 159 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 159 8/9/16 11:41 AM Está asociada a la energía cinética de las cargas en movimiento. Pode- mos obtener energía eléctrica a partir de la energía química (pilas), de la energía mecánica (generadores), de la energía luminosa (celdas solares) y hasta de dos materiales a diferentes temperaturas (termocupla). Tam- bién podemos convertir la energía eléctrica en otros tipos de energías que sean de utilidad; por ejemplo, podemos convertir la energía eléc- trica en energía mecánica al poner en funcionamiento una licuadora o una lavadora y podemos transformar la energía eléctrica en energía calorífica en una cocina eléctrica. La energía eléctrica sumistrada por una fuente La energía de la corriente eléctrica E es la que tienen las cargas que circulan por el circuito. Se relaciona con la intensidad de la corriente, la diferencia de potencial y el tiempo. E = q × ε = I × t × ε Donde: E = energía suministrada en joules (J). q = carga eléctrica en coulombs (C). ε = fuerza electromotriz en voltios (v). La ley de Joule Los electrones acelerados en un conductor poseen cierta cantidad de energía cinética, pero los constantes choques con los átomos o iones causan que parte de la energía rápidamente se transforme en energía interna, produciendo un aumento de temperatura en el material, el cual podemos percibir como calor. La energía disipada Q por una resistencia R es: Q = q × V = I × t × V Donde: Q = energía disipada en joules (J). q = carga eléctrica en coulombs (C). V = diferencia de potencial en voltios (V). La potencia eléctrica La potencia es la rapidez con la que un aparato eléctrico consume o transforma la energía eléctrica que recibe. La potencia eléctrica se cal- cula a través de la siguiente expresión: P = E __ t Donde: P = potencia en watts (W). E = energía en joules (J). t = tiempo en segundos (s). Su unidad es el watt (W), que se define como 1 joule/1 segundo. Otra unidad de potencia es el kilowatt (kW) = 1000 W. La energía eléctrica 8 En un foco, la energía eléctrica es transformada en energía luminosa. ¿QUÉ RECUERDO? • ¿Qué es la energía eléctrica? Shutterstock 158 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 158 8/9/16 11:41 AM 55 Si dos aparatos eléctricos que tienen diferente potencia funcionan durante el mismo tiempo, ¿cuál transformará mayor cantidad de energía? _____________________________________________ _____________________________________________ 56 Lee el siguiente texto: Un foco de incandescencia transforma la energía eléctrica en energía calorífica y luminosa. Su filamento de wolframio soporta temperaturas de 3000 °C, tiene una resistencia elevada y un alto punto de fusión: 3400 °C. Está encerrado en una cápsula de vidrio donde se hizo el vacío o se introdujo un gas inerte. • ¿En qué efecto se basa el funcionamiento de un foco? ____________________________________________ • ¿Por qué se utiliza el metal wolframio para fabricar los filamentos? ____________________________________________ • ¿Qué ocurriría si utilizáramos otro metal de punto de fusión igual a 2500 °C? ____________________________________________ 57 Una cocina tiene las siguientes especificaciones: 520 W - 220 V. Si se conecta a 220 V, resuelve y determina: • La intensidad que circula por la cocina. • Su resistencia • La energía calorífica desprendida si funciona 3 h. 58 Lee el siguiente texto: En los focos incadescentes, aproximadamente, el 90 % de la electrcidad que entra se convierte en calor y no en luz. Las investigaciones sobre nuevos sistemas de iluminación que ahorran energía han encontrado una nueva tecnología: los LED. Los diodos emisores de luz, llamados LED, son pequeños dispositivos fabricados de un material semiconductor que permiten a la corriente eléctrica desplazarse en un único sentido y que producen luz como un subproducto de la corriente. No tienen filamentos, al igual que los tubos fluorescentes; por lo tanto, no se calientan, consumen muy poca energía y tienen larga vida. Uno de los inconvenientes que tienen es que emiten una luz muy brillante, pero solo en un punto, no en una amplia área, como las lámparas incadescentes o fluorescentes. Esto es un problema para llenar de luz una habitación. Además, el precio aún resulta excesivo para emplearlos en iluminación. • ¿Cuáles son las ventajas de los diodos de luz frente al foco de Edison? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Qué ventajas tiene el fluorescente frente a un LED? ____________________________________________ • ¿Cómo es la luz que emiten los LED? ____________________________________________ 59 Un voltímetro tiene una resistencia muy grande, mientras que un amperímetro una resistencia interna muy pequeña • ¿Cuál sería la consecuencia de utilizar un voltímetro de resistencia interna pequeña? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Cuál sería la consecuencia de utilizar un amperímetro de resistencia interna grande? ____________________________________________ ____________________________________________ ____________________________________________ EXPLICA EL MUNDO FÍSICO E = l2 × R × t El que tenga mayor potencia. Se basa en el efecto Joule de la corriente. Por su elevada resistencia y alto punto de fusión. Se fundiría con mayor frecuencia. E = P × t E = I2 × R × t E = (2,36 A)2 × 93,2 Ω × 3 h E = (2,36 A)2 × 93,2 Ω × 10 800 s E = 5 606 136,6 J = 5606,14 kJ I = P __ V = 520 W ______ 220 V = 2,36 A R = ∆ V ___ I = 220 V ______ 2,36 A → R = 93,2 Ω Como los diodos de luz no tienen filamento, no se calientan, consumen muy poca energía y duran más. Emiten luz en un área más amplia. Muy brillante y puntual. El flujo de la corriente sería favorable en el voltímetro, dando una lectura real del voltaje. La corriente no circularía con facilidad, dando valores erróneos de amperaje. 135 UNIDAD 7 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 Book 1.indb 135 8/8/16 9:15 AM COMPRENDE Y USA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS_______________________________________________________________ 49 Dos focos operan a 220 V, pero uno de ellos tiene una potencia de 25 W y el otro de 100 W. ¿Cuál de los focos tiene una mayor resistencia? 50 Una plancha tiene las siguientes especificaciones: 220 V y 1 200 Ω. • Calcula la resistencia. • Si el kilowatt/hora cuesta S/ 0,5, ¿cuánto pagarías por 16 h de uso al mes? 51 En el microondas un alimento es calentado en 5 s. La potencia de este artefacto es de 800 W. a. Calcula la energía disipada en joules. b. Halla la energía disipada en kW/h. 52 La central hidroeléctrica Ecoluz cobra S/ 0,3 el kilowatt por hora. Si una casa tiene 6 focos de 100 W que operan 5 h diarias, una plancha de 2000 W y una lavadora de 3000 W que operan 4 h a la semana, una terma de 5000 W que funciona media hora todos los días y una refrigeradora de 400 W que opera 20 h al día, ¿cuánto cuesta el consumo en 30 días? 53 Para preparar una comida necesitamos 3 × 106 J. ¿Cuánto tiempo debe estar encendida una cocina si está conectada a 220 V y su resistencia es de 44 Ω? 54 Corrige las siguientes fórmulas: a) R = ρ × L __ S2 d) E = P __ t b) R = I ____ ∆ V e) E = l2 × ∆V × t c) P = l2 × R × t f) P = t × E La energía y la potencia eléctrica 8 Calculamos la energía consumida en 16 h usando la potencia de la plancha. E = P × t E = (1200 W) (16 h) E = 19 200 W/h = 19,2 kW/h El costo de este consumo es de 19,2 (S/ 0,5) = S/ 9,60 P = V2 ___ R → R = V2 ___ P R = (220 V)2 _______ 1200 W = 40,3 Ω Calculamos la potencia del foco 1: P = V × l ⇒ l = 25 ____ 220 = 0,11 A Hallamos la potencia del oco 2: P = V × l ⇒ I = 100 ____ 220 = 0,45 A ⇒ R1 = 220 _____ 0,11 = 2000 Ω R2 = 220 ____ 0,45 = 488,9 Ω a. Calculamos la energía disipada en joules: E = P × t ⇒ E = 800 × 5 E = 4000 J b. Hallamos la energía disipada en kW/h: E = 800 × (5/3600) = 1,11 kWh R = ρ × L __ S E = P × t R = ∆ V __ l E = l2 × R × t P = l2 × R P = E __ t Calculamos el consumo total de la casa en un mes: – Focos de 100 W: 6 × 100 × (5 × 30) = 90 kW/h – Plancha de 2000 W: 2000 × (4 × 4) = 32 kW/h – Lavadora de 3000 W: 3000 × (4 × 4) = 48 kW/h – Terma de 5000 W: 5000 × (0,5 × 30) = 75 kW/h – Refrigeradora de 400 W: 400 × (20 × 30) = 240 kW/h Hallamos el consumo total en un mes: 485 kW/h Determinamos el costo del consumo: 485 × (S/ 0,3) = S/ 145,5 Despejamos el tiempo: E = V2 ___ R × t t = E × R ______ V2 = 3 × 106 × 44 /(220)2 t = 2727 s = 45 min 27 s 134 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 134 8/8/16 9:15 AM 249 248 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 13. LIBRO DE ACTIVIDADESLIBRO DE ACTIVIDADES ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN Comprobamos y analizamos El paso de una corriente eléctrica a través de una sustancia experimenta una cierta oposición que llamamos resistencia eléctrica, la que varía con la temperatura. Sin embargo, existen materiales, denominados superconductores, que tienen resistencia cero por debajo de ciertas temperaturas, llamadas temperaturas críticas. Existen varios tipos de superconductores, que incluyen metales, como el aluminio (Al), el estaño (Sn), el plomo (Pb) y el cinc (Zn). La temperatura crítica para metales que presentan superconductividad es cercana a 0 K, temperatura difícil de obtener y mantener. Sin embargo, no todos los metales que son excelentes conductores a temperatura ambiente presentan la propiedad de la superconductividad. Un investigador quiere conocer si un nuevo material tiene propiedades de superconductor. Se plantea, por lo tanto, la siguiente hipótesis: Si los materiales superconductores no oponen resistencia eléctrica a partir de una determinada temperatura (temperatura crítica), entonces si el nuevo material es un superconductor, no opondrá resistencia al paso de la electricidad desde un cierto valor de temperatura. Si el científico quiere medir la resistencia que opone el nuevo material al paso de la corriente eléctrica a diferentes temperaturas y determinar si existe o no una temperatura crítica, entonces: • ¿Qué materiales debería utilizar para realizar su investigación? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • ¿Qué variables debería medir? ¿Cuál debería ser la variable independiente y la variable dependiente? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • Planifica el procedimiento que debería llevar a cabo para validar su hipótesis. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Respuesta libre Respuesta modelo: VI: temperatura VD: conductividad eléctrica Respuesta libre 137 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 137 8/8/16 9:15 AM HABILIDADES CIENTÍFICAS Interpretamos y analizamos información Luego de que los datos estén correctamente registrados y organizados deben ser interpretados. Este proceso no solo consiste en describir los datos, sino darles sentido de acuerdo con el conocimiento adquirido y basado en la experiencia. Para interpretar se deben buscar patrones, comparar grupos de datos y reorganizar la información que se posee cuantas veces sea necesario. Sabemos que un automóvil eléctrico necesita de 10 a 20 kW/h para recorrer 100 km, lo que supone un costo de S/ 2 frente a los S/ 8 aproximadamente necesarios para que un automóvil de gasolina recorra la misma distancia. A continuación, el gráfico muestra las emisiones de CO2 de un vehículo desglosadas en dos partes: el CO2 emitido para generar la energía que se utiliza desde la producción hasta que llega al vehículo y el CO2 emitido por el vehículo al circular. PARA CONSULTAR Buscadores académicos: • Google Académico • ciencia.science 1 Analiza la información presentada y responde. • ¿Qué vehículos emiten menos CO2 al circular? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ • ¿A la vista de la gráfica se puede afirmar que los automóviles eléctricos no contaminan? Fundamenta tu respuesta. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ • Desde el punto de vista de la conservación del medioambiente, ¿cuáles son las fuentes de energía más adecuadas para generar la energía eléctrica para recargar las baterías de los vehículos con motor eléctrico? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Gasolina Fuente de energía Gas natural Gas natural Otras fuentes Eólica Automóviles eléctricos Automóviles impulsados por combustibles fósiles Gasóleo 192 163 139 65 10 2 0 Del pozo al depósito Del depósito a la rueda Respuesta modelo: Automóviles eléctricos y los que usan gasóleo. Respuesta libre Respuesta libre 136 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 136 8/8/16 9:15 AM Actividad de indagación Competencia: Indaga mediante métodos científicos para construir conocimientos. Capacidades y desempeños precisados Capacidades • Analiza datos o información. • Evalúa y comunica el proceso y los resultados de su indagación. Desempeños precisados • Obtiene datos considerando la manipulación de las variables. • Analiza los resultados y los contrasta con los resultados obtenidos. • Elabora conclusiones basadas en sus resultados. Sugerencias didácticas Activar los saberes previos de los estudiantes. Para ello, invitarlos a responder las siguientes preguntas mediante una lluvia de ideas: − ¿Qué criterios deben tener en cuenta para formular una pregunta de indagación? − ¿Qué deben tener considerar para elaborar una hipótesis? − ¿Qué se busca durante el desarrollo de una experiencia de indagación? Tomar apuntes de las ideas más importantes en la pizarra. Luego, obtener una idea general a partir de las intervenciones de los estudiantes. Se debe asegurar de que todos los estudiantes participen. Enfatizar en que las preguntas de indagación deben ser aquellas que pueden ser comprobadas, mientras que las hipótesis son aquellas predicciones que son verificables. Formar grupos heterogéneos con estudiantes de diferentes ritmos de aprendizaje, de manera que puedan apoyarse entre ellos mismos promoviendo un aprendizaje cooperativo. Indicar a los estudiantes que realicen la experiencia y compartan sus conclusiones. Brindar a los estudiantes el tiempo necesario para que realicen las actividades. Libro de actividades (págs. 137-139) Habilidades científicas Competencia: Indaga mediante métodos científicos para construir conocimientos. Capacidades y desempeños precisados Capacidades • Analiza datos e información. • Evalúa y comunica el proceso y los resultados de su indagación. Desempeños precisados • Elabora conclusiones a partir de la relación que encuentra en graficos y tablas. • Formula conclusiones basadas en sus resultados. Propósito Las pruebas suelen generar observaciones, descripciones, o mediciones objetivas, es decir, “datos en bruto”, los cuales se convierten en evidencia solo cuando han sido interpretados de manera que refleje la exactitud o inexactitud de una idea científica. El análisis e interpretación de los resultados es la última etapa del proceso de investigación, cuyo propósito es resumir los datos u observaciones de manera que proporcionen respuestas al problema de investigación. La interpretación, es un aspecto especial de este análisis, nos permite encontrar respuestas a través de los conocimientos que proporcionen los datos, así como la definición y clarificación de los conceptos y las relaciones entre éstos y los hechos materia de la investigación. Es decir, el propósito del análisis es interpretar los datos o información obtenidos en la indagación, contrastarlos con las hipótesis e información relacionada al problema para elaborar conclusiones, que comprueben o refuten la hipótesis. Sugerencias didácticas Invitar a los estudiantes a reflexionar sobre la necesidad de interpretar gráficos o tablas. Indicar a los estudiantes que lean la información del texto introductorio. Es importante que los estudiantes estén en silencio durante la lectura. Pedir a los estudiantes que formen parejas y solicitarles que realicen la actividad propuesta. Brindar el tiempo necesario para su resolución. Proponer un diálogo sobre los beneficios de la conservación del medioambiente, al finalizar la actividad. Solicitar a los estudiantes que investiguen sobre el uso de nuevos tipos de energía. Pedir a los estudiantes que elaboren un afiche sobre alternativas de solución frente a la contaminación producida por la generación de energía eléctrica. Libro de actividades (pág. 136) 251 250 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 14. LIBRO DE ACTIVIDADESLIBRO DE ACTIVIDADES INDAGA MEDIANTE MÉTODOS CIENTÍFICOS 5. Frota repetidas veces la barra de plástico con la madeja de lana. Acércala a la argolla del electroscopio hasta hacer contacto. Registra tus observaciones. 6. Toca la argolla del electroscopio con el dedo. Describe lo que observas. 7. Haz contacto entre la barra de plástico frotada con la lana y la argolla del electroscopio. Inmediatamente, acerca a la argolla del electroscopio la barra de vidrio frotada con la seda. Describe tus observaciones. 8. Toca la argolla del electroscopio con el dedo. 9. Frota el globo inflado contra tu cabello y aproxímalo a la argolla del electroscopio por el costado que frotaste. Describe lo que observas. Anáisis y conclusiones: • Explica si los resultados observados apoyan la hipótesis planteada inicialmente. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • ¿La carga que obtuviste en el globo será igual a la carga que conseguiste en la barra de plástico o en la barra de vidrio? Fundamenta tu respuesta. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • Describe qué ocurrió cuando las laminillas que se encontraban al interior del electroscopio estaban separadas y tocaste la argolla del electroscopio con el dedo. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • Explica por qué basta con acercar la barra, aun sin hacer contacto, a la argolla del electroscopio para que las laminillas se separen. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ • Explica el comportamiento de las laminillas del electroscopio cuando acercaste la barra de vidrio frotada con seda inmediatamente después de haber hecho contacto con la barra de plástico frotada con lana. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Recuerda que tus conclusiones deben ser coherentes con la investigación. En este caso, al concluir se debe validar la hipótesis propuesta. Respuesta libre Respuesta libre Las laminillas se juntaron al tener contacto con la argolla. Respuesta libre Respuesta libre 139 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 139 8/8/16 9:15 AM En esta actividad de indagación, podrás aplicar tus habilidades científicas. En este caso, pondrás a prueba tu capacidad para analizar una investigación. Esta actividad puede ser realizada de manera individual o grupal. A continuación, comprobarás la existencia de cargas eléctricas y analizarás su comportamiento. Pregunta de investigación ¿Cómo se relacionan las cargas eléctricas con el tipo de interacción eléctrica? Hipótesis ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Materiales – Papel de aluminio – Carrete de hilo – Soporte universal – Madeja de lana – Retazo de seda – Electroscopio – Una barra de plástico – Un globo (inflado) – Una barra de vidrio Procedimiento: 1. Cuelga del hilo una pequeña bola de papel de aluminio (A). Frota la barra de vidrio con la seda y toca, con ella, la bola de papel. Aleja la barra de la bola de papel e, inmediatamente, vuelve a acercarla. Describe lo que observas. 2. Frota la barra de plástico con la madeja de lana y acércala a la bola de papel después de haber tocado esta última la barra de vidrio que fue frotada con la seda. Registra tus observaciones. 3. Toma la barra de plástico y toca con ella la argolla del electroscopio (B). Describe lo que observas. 4. Frota repetidas veces la barra de plástico con la lana. Acércala a la argolla del electroscopio sin hacer contacto. Anota tus observaciones. Comportamiento de cargas eléctricas A B Respuesta modelo: entre dos cuerpos que adquieren cargas eléctricas de distinto signo, ocurrirá una interacción eléctrica de tipo atracción. 138 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 138 8/8/16 9:15 AM NOTICIA CIENTÍFICA COMUNÍCATE 1 Define las siguientes palabras: • Efecto triboeléctrico: __________________________________________________ __________________________________________________________________ • Eficiencia: __________________________________________________________ __________________________________________________________________ • Rendimiento: _______________________________________________________ __________________________________________________________________ 2 ¿Cuál es la idea central del texto? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3 ¿Qué ventajas tendría la utilización de un generador triboeléctrico frente a otras formas de generación de energía? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Un nuevo generador convierte el movimiento en electricidad En el 2014, científicos chinos y estadounidenses crearon un generador triboeléctrico rotatorio. Según el investigador principal, Zhong Lin Wang, del Instituto de Nanoenergía y Nanosistemas de Pekín (China): “El efecto triboeléctrico es una electrificación inducida por contacto. Un material se carga eléctricamente después de entrar en contacto con otro material (...) a través de la fricción. Este efecto origina la electrostática cotidiana”, un principio muy similar a la transferencia de carga, es decir, como la que se genera al frotar un globo contra la ropa. Según los autores, este dispositivo tiene una eficiencia del 24% y un alto rendimiento. Además de una estructura y proceso de fabricación simples, lo que significa un bajo costo. De acuerdo al estudio, se puede obtener energía a partir de fuentes renovables, como el movimiento del cuerpo humano, las vibraciones de la naturaleza, las ondas de sonido, las industrias, el movimiento de los automóviles, el viento, la lluvia y el oleaje. Zhong Lin Wang subraya: “La energía que puede generarse del andar humano es de, aproximadamente, 67 W/día, y si contamos el movimiento de todo el cuerpo alcanza los 100 Wtrica”. Es decir, la energía necesaria para mantener encendida un foco de 100 W durante una hora. Un nuevo generador convierte el movimiento humano en electricidad, Sinc: la ciencia es noticia, consultado el 17 de mayo del 2016. Disponible en http://www.agenciasinc.es/Noticias/Un- nuevo-generador-convierte-el-movimiento-humano-en-electricidad (Adaptación) tipo de electrificación causado por el contacto entre dos materiales. capacidad de disponer de alguien o de algo para conseguir un efecto determinado. proporción entre el producto o el resultado obtenido y los medios utilizados. El generador triboeléctico rotatorio es una alternativa para producir energía a partir de recursos renovables por su eficiencia, alto rendimiento y bajos costos. Las ventajas de producir energía a partir de un dispositivo triboeléctrico son bajo costo, alto rendimiento y eficiencia; además del uso de recursos renovables para su generación. 140 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 140 8/8/16 9:15 AM Noticia científica Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeño precisado • Sustenta que la electricidad puede ser generada a través de diferentes formas de la convencional. Sugerencias didácticas Recordar a los estudiantes que un artículo de divulgación es un texto generalmente breve que explica hechos, ideas, conceptos o descubrimientos vinculados al quehacer científico y tecnológico. Activar los saberes previos de los estudiantes. Para ello, formular las siguientes preguntas: ¿Qué son cargas eléctricas? ¿Qué estudia la electrostática? Invitar a los estudiantes a emplear una técnica que los ayude a identificar las ideas principales y secundarias, como el subrayado, el resumen, etc. Brindar el tiempo necesario para que los estudiantes realicen las actividades propuestas. Invitar a los estudiantes a comparar sus respuestas con los demás compañeros y obtener una idea central a nivel de aula. Información complementaria Aprendizaje cooperativo: Estilo visual • Leer el siguiente texto a los estudiantes: “Muchas empresas públicas y privadas, universidades y ONG con gran reconocimiento y prestigio en nuestro país realizan campañas a nivel nacional para fomentar la sensibilización y concientización de cuidar nuestro medioambiente”. • Formar grupos y pedirles que busquen información e imágenes sobre los organismos que fomentan este tipo de acciones. • Pedirles que elaboren un álbum o collage con la información y las imágenes recopiladas. Libro de actividades (pág. 140) 253 252 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 15. LIBRO DE ACTIVIDADES TEXTOESCOLAR PROPUESTA DE TRABAJO RÚBRICA DE EVALUACIÓN Criterios a evaluar Excelente Satisfactorio En proceso Iniciado Fechas Todos los eventos fueron ubicados correctamente en la línea de tiempo (día/ mes/año). La mayoría de los eventos fueron ubicados correctamente en la línea de tiempo (día/ mes/año). Menos de la mitad de los eventos fueron ubicados correctamente en la línea de tiempo (día/ mes/año). Ningún evento fue ubicado correctamente en la línea de tiempo (día/ mes/año). Recursos La línea de tiempo presenta por lo menos de 8 a 10 eventos relacionados con el tema. La línea de tiempo presenta por lo menos de 6 a 7 eventos relacionados con el tema. La línea de tiempo presenta por lo menos 5 eventos relacionados con el tema. La línea de tiempo presenta menos de 5 eventos. Imágenes Todas las imágenes son apropiadas y adecuadas. Todas las imágenes son apropiadas, pero hay muy pocas o muchas de ellas. Algunas imágenes son apropiadas y su uso es adecuado. Muchas de las imágnes no son adecuadas. Transferencia de electricidad sin cables La tecnología que nos rodea se ha ido volviendo más portátil y con menos cables. Lo último que falta por eliminar es la necesidad de enchufar estos dispositivos para recargarlos de energía. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, ha conseguido transmitir energía entre dispositivos sin necesi- dad de cables. Este experimento consistió en suministrar electricidad a un foco de 60 watts desde 2 metros de distancia, durante 24 horas seguidas. Es decir, se ha conseguido cómo transmitir la electricidad por el aire, lo mismo que hace el wifi con las conexiones a internet. Los investigadores han llamado a su descubrimiento witricity (witricidad), unión de las palabras wireless (sin hilos) y electricity, un gran avance para la humanidad. Busca información sobre la electricidad a lo largo de la historia. 1. Elabora un resumen de los grandes avances y descubrimientos de la electricidad. 2. Utiliza la información encontrada para elaborar una línea de tiempo. Puedes utilizar programas en línea, como Line, myHistro o TimeRine. Desarrolla la página 141 del Libro de actividades. USA ESTRATEGIAS DE LAS TIC Shutterstock 160 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 160 8/9/16 11:41 AM USA ESTRATEGIAS DE LAS TIC Revisión de literatura 1 ¿Qué propiedad presenta el ámbar? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 2 ¿Cuál fue el aporte de L. Galvani y H. Orsterd? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Organización de resultados 3 Completa el siguiente cuadro con la información obtenida de los más grandes descubrimientos de la electricidad. Fechas Nombres Descubrimientos Elaboración del producto 4 Aporta una reflexión personal acerca de la electricidad, los avances tecnológicos y la sociedad. ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 640 a.C - 546 a. C 1791 - 1872 Planteó la ley de Ohm, que relaciona la resistencia, intensidad y diferencia potencial. 1789 - 1854 G.S. Ohm Inventó la pila de Volta, la cual era capaz de producir cargas eléctricas. 1747 - 1827 A. Volta Estudio los efectos de la electricidad en animales. L. Galvani 1737 - 1798 Experimentó con cometas en una tormenta con la intención de capturar electricidad. B. Franklin 1736 - 1806 Investigó sobre las fuerzas eléctricas entre cargas. C. A. Coulomb 1706 - 1790 Describió los fenómenos de atracción utilizando ámbar. Tales de Mileto 1847 - 1931 T. A. Edison S. Morse Respuesta libre Realizó múltiples inventos. Desarrolló el telégrafo. Galvani estudió la electricidad en los animales y Orsterd relacionó la corriente eléctrica en imanes, dando inicio al electromagnetismo. Una de sus propiedades es la de atracción, ya que al ser frotada con un pedazo de lana puede atraer objetos pequeños. 141 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 141 8/8/16 9:15 AM Usa estrategias de las TIC Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Evalúa las implicancias del saber y del quehacer científico y tecnológico. Desempeño precisado • Formula conclusiones basadas en su postura personal. Propósito Como respuesta a las demandas sociales de una conciencia global surge la cultura digital expresada en entornos virtuales. Los estudiantes están en el centro de múltiples conexiones, como internet y otros medios propiciados por las tecnologías de la información y la comunicación (TIC). Estas tecnologías plantean nuevas prácticas sociales de interacción y de representación de la realidad. Por ello, la escuela debe propiciar una participación gradual, sostenida y orientadora del estudiante en tales entornos. (Ministerio de Educación, Rutas del Aprendizaje) Sugerencias didácticas Activar los saberes previos de los estudiantes. Para ello, formular las siguientes preguntas: ¿Qué tipo de energías podemos utilizar en nuestra casa o colegio? ¿Qué acciones pueden realizar para reducir el uso de energía eléctrica? Pedir a los estudiantes que formen parejas y solicitarles que busquen acciones concretas sobre el uso de la energía y que las escriban en hojas bond A4. Animar a los estudiantes a compartir sus respuestas con los demás compañeros del aula. Durante este momento debemos propiciar un ambiente de respeto y tolerancia entre los alumnos. Mencionar la importancia de buscar nuevas tecnologías amigables con nuestro medioambiente. Formar grupos y pedir a los estudiantes que lean sobre la transferencia de la electricidad sin cables. Pedir a los estudiantes que comenten lo que leyeron con sus compañeros del grupo. Luego, brindarles el tiempo necesario para realizar la actividad propuesta. Leer la rúbrica de evaluación para que los estudiantes sepan lo que se espera de ellos al terminar la actividad. Indicar a los estudiantes el tiempo que tendrán para realizar el trabajo y la fecha de entrega del trabajo. Enfatizar en la importancia de organizar correctamente los eventos que se tomarán en cuenta para la elaboración de la línea de tiempo. Mencionar que en la actualidad existen diferentes maneras de generar energía eléctrica menos contaminante. Comentar que el uso de energías renovables puede ser una solución al calentamiento global que agobia nuestro planeta; por ello, la importancia de usar este tipo de energías. Pedir a los estudiantes que busquen información en diferentes fuentes, como libros, revistas o internet sobre los descubrimientos de la electricidad. Solicitar a los estudiantes que resuelvan las actividades propuestas teniendo en cuenta los más grandes descubrimientos de la electricidad hasta hoy en día. Pedir a los estudiantes que respondan algunas preguntas de coevaluación al finalizar la actividad: ¿Consideras que tu compañero logró aplicar lo aprendido anteriormente? ¿La comparación de tu compañero fue activa? ¿Tu compañero fue responsable en las tareas encomendadas? Información complementaria Las energías renovables Son aquellas que se producen de forma continua y son inagotables. El sol está en el origen de la mayoría de ellas porque su energía causa en la Tierra las diferencias de presión que generan los vientos, fuente de la energía eólica. El sol ordena el ciclo del agua que da origen a la energía hidráulica. Las plantas se sirven del sol para realizar la fotosíntesis, vivir y crecer. Toda esa materia vegetal es la biomasa. Por último, el sol se aprovecha directamente en dos formas: térmica y fotovoltaica. Las energías renovables son, además, fuentes de energía amigables con el medioambiente. La generación y el consumo de las energías convencionales causan importantes efectos negativos en el entorno. Las energías renovables no producen emisiones de CO2 y otros gases contaminantes a la atmósfera. Asimismo, las energías renovables son fuentes autóctonas, por lo que disminuyen la dependencia de la importación de combustibles. Las fuentes renovables de energía que se pueden aprovechar en el país son: energía solar fotovoltaica y térmica, energía eólica, energía hidráulica, energía de la biomasa y energía geotérmica. En el Perú existe un gran potencial para el aprovechamiento de las energías renovables. Texto escolar (pág. 160) Libro de actividades (pág. 141) 255 254 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 16. LIBRO DE ACTIVIDADESLIBRO DE ACTIVIDADES TEXTO ESCOLAR 1 Dos cargas de 40 μC y –90 μC están separadas 10 cm. ¿A qué distancia de la menor carga se debe colocar una tercera carga para que permanezca en equilibrio? 2 Una partícula con carga q1 = 10 μC se encuentra a una distancia de 24 cm de otra carga q2 = –30 μC. ¿Cuál es el campo eléctrico resultante debido a esas dos cargas en un punto P que está a 9 cm de dichas cargas? ¿En qué punto del campo eléctrico la resultante es cero? 3 Por una resistencia de 10 Ω pasa una corriente de 5 A durante 4 min. ¿Cuántos electrones pasan durante este tiempo? (Dato: carga del electrón = 1,6 × 10–19 C) 4 Un alambre de cobre tiene una resistencia de 18 Ω. Se estira hasta que su longitud se quintuplique. ¿Cuánto vale la corriente (en amperios) que circula por el alambre estirado cuando entre sus extremos se aplica una diferencia de potencial de 1350 V? 5 Tres resistencias iguales conectadas en serie consumen una potencia de 18 W. Si se las conecta en paralelo bajo la misma diferencia de potencial, ¿cuál será la potencia que consumen? 6 Un circuito está formado por tres resistencias conectadas en paralelo. Si por R1 circula una corriente de 15 A, ¿qué corriente circula por R3 ? 7 Dos alambres hechos del mismo material, de igual longitud pero con secciones transversales diferentes, son conectados en paralelo a una batería. Se puede afirmar que: A. El campo eléctrico dentro de los alambres es el mismo. B. La corriente es la misma en ambos alambres. C. El campo eléctrico es mayor en el alambre con sección transversal mayor. D. La resistencia eléctrica es mayor en el alambre con sección transversal mayor. E. La corriente es mayor en el alambre con sección transversal menor. CIENCIA APLICADA ACTIVIDADES PROPIAS DEL BACHILLERATO A B R1 = 2 Ω R2 = 3 Ω R3 = 6 Ω Primer caso: Segundo caso: F1 = F2 k p Q _____ x2 = K Q q' _______ (10 – x)2 ⇒ 40 ___ x2 = 50 _______ (10 – x)2 4 (10 – x)2 = 5x2 4 (100 – 20x + x2 ) = 5x2 400 – 80x + 4x2 = 5x2 x2 + 80x – 400 = 0 x = 4,14 cm q = n × e– = I × t n × e– = I × t n = l × t ____ e– ⇒ n = 5 × (4 × 60) __________ 1,6 × 10–19 n = 7,50 × 1021 18 = ρ × L __ A … (α) V = I × R' ⇒ 1350 = l × ρ 5L __ A … (b) (α) en (β): l = 15 A Serie: Paralelo: P = V2 ___ Req. ⇒ P1 = V2 ____ (3R) = 18 W ⇒ P2 = V2 ___ Req. ⇒ P2 = V2 ___ ( R __ 3) = 162 W Observamos que la corriente se distribuye proporcional a las resistencias R1 , R2 y R3 : 2 I1 = 3 I2 = 6 I3 I1 = 15 A I2 = 10 A I3 = 5 A F2 F2 F1 F1 Q 40 μC 90 μC d = 10 m x F2 F2 F1 F1 Q q = 40 μC x d = 10 cm q' = 40 μC __ › E1 __ › E2 15 cm 12 cm 24 cm 53° 53° q1 = 40 μC q2 = –30 μC E1 = 9 × 109 (10 × 10–6 ) _______________ (0,15)2 = 4 × 106 N/C E2 = 9 × 109 (30 × 10–6 ) _______________ (0,15)2 = 12 × 106 N/C ER 2 = (4 × 106 )2 + (12 × 106 )2 + 2(4 × 106 )(12 × 106 ) cos α α = 180° – 2(53°) = 106° ER = 1 155 899,53 N R L 5 L A 1350 V R' R R P1 R P2 V R R R l1 = 15 A R3 = 6 Ω R2 = 3 Ω R1 = 2 Ω A B 2 3 142 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 142 8/8/16 9:15 AM CONSULTAMOS SINTETIZAMOS Para descubrir Ministerio de Energía y Minas, Uso eficiente de la energía En esta fuente encontrarás información acerca de la electricidad en nuestro país y su uso adecuado, así como diferentes actividades didácticas que reforzarán lo que has aprendido. Recuerda que los sitios web pueden cambiar. Para ampliar BBC (2011), La historia de la electricidad: la era de los inventos El profesor Jim Al-Khalili cuenta la electrizante historia de la búsqueda del ser humano por comprender la más misteriosa fuerza de la naturaleza: la electricidad. Esta serie está llena de deslumbrantes saltos de la imaginación y extraordinarios experimentos. Una historia de genios maravillosos quienes utilizaron la electricidad para alumbrar nuestras ciudades, comunicar a través del aire, crear la industria moderna y guiarnos hacia la revolución digital. Desarrolla las páginas 142 y 143 del Libro de actividades. Te presentamos mediante un esquema de llaves los conceptos clave que has trabajado en la unidad. Electricidad Corriente eléctrica CIERRE ELECTRICIDAD – Cargas eléctricas – Ley de Coulomb – Interacción entre cargas – Campo eléctrico – Potencial eléctrico – Capacidad eléctrica – Corriente eléctrica – Circuito eléctrico – Magnitudes eléctricas – Ley de Ohm 161 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 161 8/9/16 11:41 AM CIERRE 1 Elabora un esquema de llaves sobre la corriente eléctrica. 2 Escribe una idea clave para cada tema presentado en la unidad 7 del Texto escolar. Tema 1 Tema 2 Tema 3 Tema 4 Tema 5 Tema 6 Tema 7 Los cuerpos con cargas eléctricas del mismo signo experimentan fuerzas de repulsión, y los cuerpos con cargas de distinto signo, fuerzas eléctricas de atracción. De acuerdo con la forma como se electrizan los cuerpos, la electrización puede darse por frotamiento, por contacto o por inducción. Según cómo se movilicen las cargas en su interior, los materiales se clasifican en conductores y aislantes. La capacidad eléctrica es la cantidad de carga que puede almacenar un cuerpo conductor en su superficie para que esta adquiera el potencial de un voltio. Un condensador eléctrico es el dispositivo capaz de almacenar cargas eléctricas, de manera que el sistema adquiere energía potencial. El potencial eléctrico es la energía eléctrica adquirida por un cuerpo al sufrir la acción de una fuerza eléctrica. Se conoce como energía potencial de un objeto cuando puede almacenar energía en una posición determinada capaz de realizar un trabajo. Según la ley de Coulomb, la fuerza de atracción o repulsión que ejercen dos cargas puntuales, q1 y q2 , es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La corriente eléctrica se produce cuando hay flujo de electrones a lo largo de un material conductor. La ley de Ohm indica que en aquellos conductores en los cuales el voltaje y la corriente eléctrica son directamente proporcionales se cumple que V = I × R. Los circuitos eléctricos están formados por un conjunto de elementos que, unidos de manera adecuada, permiten el paso de la corriente eléctrica. El campo eléctrico es el espacio situado alrededor de una carga en la cual se ejercen fuerzas eléctricas. Las magnitudes que describen a los campos eléctricos son la intensidad del campo eléctrico en un punto y el potencial eléctrico en un punto. CORRIENTE ELÉCTRICA Circuito eléctrico Magnitudes eléctricas Ley de Ohm – Serie – Mixto – Paralelo – Diferencia de potencial – Intensidad de corriente – Resistencia – Fuerza electromotriz 143 UNIDAD 7 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 143 8/8/16 9:16 AM Ciencia aplicada Competencia: Explica el mundo físico basándose en conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Capacidades y desempeños precisados Capacidad • Comprende y usa conocimientos sobre los seres vivos; materia y energía; biodiversidad, Tierra y universo. Desempeños precisados • Sustenta sus conclusiones usando sus propios conocimientos. Propósito El desarrollo de las habilidades de los enfoques del aprendizaje de los estudiantes conlleva mucho más que el desarrollo de sus habilidades cognitivas. Se trata también de ampliar las habilidades afectivas y metacognitivas, y de fomentar que los alumnos vean el aprendizaje como algo que “realizan por sí mismos de forma proactiva, y no un suceso oculto que les ocurre como reacción a la enseñanza” (Zimmerman, 2000: 65). Al desarrollar las habilidades de los enfoques del aprendizaje y los atributos del perfil de la comunidad de aprendizaje del IB, los alumnos del Programa del Diploma (PD) pueden convertirse en “alumnos autónomos” (Kaplan, 1998). Este tipo de estudiantes ha aprendido a ponerse metas de aprendizaje, plantear buenas preguntas, cuestionarse a medida que aprende, generar motivación y perseverancia, probar diferentes procesos de aprendizaje, controlar la eficacia de su propio aprendizaje, reflexionar sobre sus logros, y modificar sus procesos de aprendizaje cuando es necesario. (Zimmerman y Schunk, 1989; De Bruin et al., 2011; Wolters, 2011) Sugerencias didácticas Formar siete grupos en el aula. Estos equipos recibirán el nombre de grupos de expertos. Entregar a cada grupo un ejercicio para que lo desarrolle durante un tiempo determinado. Enfatizar en que cada equipo debe comprender el ejercicio propuesto. Brindar el tiempo necesario para su desarrollo; luego, pedir a los integrantes de cada grupo de expertos, que formen el grupo de consultores. Este grupo estará conformado por un integrante de cada equipo de expertos, de manera que cada estudiante habrá desarrollado un ejercicio diferente al de sus compañeros. Solicitar a cada uno de los estudiantes que expliquen el ejercicio que desarrollaron a sus nuevos compañeros, con la finalidad de que todos comprendan los ejercicios. Pedir a cada integrante que vuelva a su respectivo grupo de expertos y resuelvan todos los ejercicios propuestos. Al finalizar se realiza una puesta en común en la pizarra. Libro de actividades (pág. 142 ) 257 256 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 17. TEXTO ESCOLAR METACOGNICIÓN • ¿Qué estrategias utilizaste para aprender cinemática? • ¿Pude trabajar de manera ordenada las tareas encomendadas? Vuelve a revisar lo que no comprendiste y aplica una técnica de aprendizaje distinta a la que utilizaste. ¡Verás cómo lo lograrás! El rayo Es un fenómeno natural que se produce por la acumulación de cargas en algunas nubes, que luego se transfieren a través del aire buscando un punto donde descargarse llamado tierra. La electricidad que proviene de los rayos tiene una potencia de hasta 30 millones de voltios y una temperatura de hasta 30 000 ºC, cinco veces más caliente que la superficie del Sol. Los seres humanos son alcanzados por rayos 10 veces más a menudo según lo que señalan las leyes del azar. Para evitar este tipo de accidentes, se utiliza el pararrayos, el cual está formado por una antena metálica, la cual se coloca en la parte más alta de una edificación. El pararrayos termina en punta y tiene una bola de cobre o platino cargada positivamente. La barra se conecta a tierra por un cable conductor, que lleva la descarga hacia el suelo y así evita dañar a las personas que habitan un recinto cerrado. 9 Discute en clase tu opinión sobre el tema. • ¿Por qué crees que el rayo va hacia la punta del pararrayos? • El lugar donde cae un rayo no se puede predecir. ¿Cómo explicarías a una persona que está parada en una azotea de un edificio que existe la posibilidad de que caiga un rayo? EJERCE TU CIUDADANÍA Durante el recorrido que la corriente eléctrica sigue desde la estación generadora hasta las poblaciones, suelen haber pérdidas de energía que pueden deberse a muchos factores: la disipación por calentamiento de los cables de transmisión, deterioro de las instalaciones, mala instalación de los cables o incluso robo de electricidad. • ¿Qué opinas del robo de electricidad? • ¿Qué consideras que debemos hacer para revertir esta situación? • ¿De qué manera crees que se pueda mejorar el suministro de energía eléctrica en nuestro país? Evalúa las implicancias del saber y del quehacer científico y tecnológico para tomar una posición crítica Resuelve las actividades en tu cuaderno. Luego, entrégaselo a tu profesor. 163 UNIDAD 7 Book 1.indb 163 8/9/16 11:41 AM EVALUACIÓN ¿QUÉ APRENDÍ? 1 Una barra de vidrio tiene un déficit de 10 millones de electrones, y una barra de ebonita, un exceso de 2 millones de electrones. Si las barras se ponen en contacto y quedan al final con la misma cantidad de carga, ¿cuántos electrones se transfieren y desde qué barra? 2 Dos cargas puntuales, q1 y q2 , se atraen en el aire con cierta fuerza F. Supongamos que q1 se duplica y que q2 se vuelve ocho veces mayor. ¿Cuál debe ser la distancia r entre q1 y q2 para que el valor de la fuerza F permanezca invariable? 3 ¿Cuál de las siguientes situaciones da como resultado una mayor fuerza? ¿Por qué? • La fuerza de repulsión que ejerce una carga de 100 C sobre una de 1 C. • La fuerza de repulsión que ejerce una carga de 1 C sobre una carga de 100 C. 4 En los vértices de un cuadrado cuya diagonal es 2d, se colocan 4 cargas positivas Q. ¿Cuál es la intensidad en N/C del campo eléctrico? 5 El potencial eléctrico a una cierta distancia de una carga puntual es de 1600 voltios, y el valor de la intensidad del campo eléctrico, 800 N/C. ¿Cuál es la distancia a la carga puntual? 6 La gráfica representa el valor de las fuerzas con la que se atraen dos cargas iguales pero de signos contrarios en función de la distancia que las separa. Responde: • ¿A qué distancia la fuerza de atracción es igual a 10 N? • ¿Con qué fuerza se atraen cuando están separadas 3 cm? • ¿A qué distancia la fuerza de atracción es mayor? 7 Calcula la capacidad eléctrica equivalente entre los extremos A y B de la asociación de cuatro condensadores. 8 Encuentra la resistencia equivalente entre a y c. N O E S C R I B AS EN TU TEXT O E S C O L A R EXPLICA EL MUNDO FÍSICO Comprende y usa conocimientos científicos Q Q Q Q A B C 300 μF 600 μF 800 μF 200 μF R3 = 6 Ω R4 = 3 Ω R1 = 8 Ω R2 = 4 Ω c a Distancia (m) Fuerza (N) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 30 25 20 15 10 5 0 162 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 162 8/9/16 11:41 AM ¿Qué aprendí? Sugerencias didácticas Formar grupos y asignar a los estudiantes actividades de evaluación. Motivarlos a que las desarrollen en hoja aparte. Acordar con ellos el día en que recibirán sus resultados. Utilizar el portafolio como instrumento de evaluación y solicitar a los estudiantes que al final del bimestre presenten en un fólder las respuestas de la página “¿Qué aprendí?”. Solucionario ¿Qué aprendí? 1. a. Inicio QT = 2 × 10–6 – 10 × 106 QT = –8 × 106 e– b. Final Carga en cada barra: (– 8 × 106 e– ) / 2 = – 4 × 106 e– Carga transferida = Carga final – Carga inicial Carga transferida = (–4 × 106 e– ) – (–2 × 106 e– ) = 2 × 106 e– 2. Inicio F = k × q1 × q2 ___________ d2 (1) Final: F’ = k × 2 q1 × 8 q2 _____________ r2 (2) Como F = F’, entonces: (1) = (2) : r = 4d La nueva separación será cuatro veces mayor. 3. Primer caso: F = 9 × 109 (100)(1) _______________ d2 Segundo caso: F’ = 9 × 109 (1)(100) _______________ d2 De lo anterior F = F` En ambos casos, la fuerza será la misma. 4. Del gráfico se observa: 5. V = E × d, entonces 1600 = 800 × d d = 2 m 6. • La fuerza es de 10 N cuando la distancia es de 3 m. • La fuerza será mayor a los 30 N. • Cuanto más cerca estén, mayor es la fuerza de atracción. 7. Ceq. 1 = 1,6 × 10–4 F Ceq. 2 = 2 × 10–4 F Ceq. total = Ceq. 1 + Ceq. 2 Ceq. total = 3,6 × 10–4 F 8. 1 ____ Req. 1 = 1 __ 6 + 1 __ 3 ⇒ Req. 1 = 2 Ω Req. 2 = 8 + 4 + 2 = 14 Ω Reflexión para la práctica docente La autoevaluación de la práctica docente debe ser algo más que un ejercicio académico: un proceso que incida en la mejora de la práctica, colabore en la mejora cualitativa de la educación y oriente sobre la formación del profesorado. Bajo el enfoque crítico reflexivo se recomienda el uso de un Cuaderno de campo donde se registren fortalezas y puntos débiles en su práctica pedagógica. A partir de los mismos se pueden proponer planes de mejora que incorporen alternativas, estrategias y herramientas pedagógicas para atender las ocurrencias que se presentan con mayor frecuencia. A B 600 μF 800 μF 200 μF 300 μF serie serie Ceq. 1 Ceq. 2 paralelo R1 = 8 Ω R2 = 4 Ω Req1 = 2 Ω R3 = 6 Ω R1 = 8 Ω c R2 = 4 Ω R4 = 3 Ω __ › E4 __ › E3 __ › E1 __ › E2 45° | __ › E1 | = | __ › E2 | = | __ › E3 | = | __ › E4 | ER = 0 Texto escolar (págs. 162 y 163) Libro de actividades (págs. 144 y 145) 259 258 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 18. LIBRO DE ACTIVIDADES INDAGAMEDIANTE MÉTODOS CIENTÍFICOS GENERA Y REGISTRA DATOS E INFORMACIÓN __________________________________ 5 ¿Cómo se puede determinar la resistividad de un alambre conductor? Diseñen un procedimiento que permita generar un gráfico a partir del cual se pueda calcular la resistividad de un alambre de constantan o de niquel-cromo usando la pendiente, dada la fórmula: V = ρ × L × I ____ A Donde: L = longitud de conductor. A = área transversal del cable. I = intensidad de corriente. R = resistividad del conductor. • Consigan los siguientes materiales: una fuente, un amperímetro, un voltímetro y un cable delgado de constantan o níquel-cromo, níquel-cobre o solo cobre de 1 m de longitud. Luego, armen un circuito como el de la imagen. • Planteen una hipótesis. Luego, conecten el voltímetro y midan el voltaje cada 10 cm hasta llegar a 1 m. Finalmente, conecten el amperímetro y midan la corriente que circula por el circuito. • Construyan un gráfico voltaje vs. longitud. • ¿Qué resultados obtuvieron? ¿Qué relación encuentran entre el voltaje y la longitud? ¿Qué valor tiene la pendiente? ¿Qué representa la pendiente? ¿Qué otros factores influyen en la resistividad de un conductor? ¿Cuáles son sus conclusiones? • ¿Cómo explicarían con ejemplos prácticos la ley de Ohm? 6 Elaboren un informe científico del problema planteado en la pregunta anterior y preséntenlo a su profesor. El informe científico tiene como propósito estructurar la indagación para que pueda ser consultada en cualquier momento; por ello, debe tener las siguientes secciones: título, resumen, introducción, información o antecedentes, materiales y métodos, resultados, discusión, conclusiones y literatura citada. Lista de cotejo Lee las siguientes afirmaciones y responde Sí o No en tu cuaderno según lo que realizaste en las actividades. Sí No • El informe científico respetó el modelo de formato base. • Los datos y la información obtenida fueron organizados en tablas, diagramas y gráficos explicativos. • Los datos y la información de la indagación fueron contrastados y complementados con fuentes de información. • Las fuentes de información utilizadas fueron confiables y están relacionadas con la pregunta de indagación. • Las conclusiones del trabajo fueron sustentadas correctamente y fueron complementadas con las de mis compañeros. • Las nuevas preguntas de indagación surgieron a partir de los resultados y discusión de la indagación. 6V A V 145 © Santillana S.A. Prohibido fotocopiar. D.L. 822 UNIDAD 7 Book 1.indb 145 8/8/16 9:16 AM ¿QUÉ APRENDÍ? EXPLICA EL MUNDO FÍSICO COMPRENDE Y APLICA CONOCIMIENTOS CIENTÍFICOS ____________________________________________________________ 1 Analiza la siguiente situación: si entre los extremos de dos conductores cuya resistencia es diferente se establece el mismo voltaje, ¿es mayor la corriente que circula por el conductor que ofrece menor resistencia? Explica. ___________________________________________________ 2 ¿Por qué crees que la resistencia disminuye al incrementarse la temperatura? ___________________________________________________ ___________________________________________________ ___________________________________________________ 3 En el esquema está representado un circuito mixto, es decir, en él aparecen elementos agrupados en serie y en paralelo. • ¿Circulará la misma intensidad de corriente por las resistencias R1 y R2 ? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Circulará la misma intensidad de corriente por las resistencias R3 y R4 ? ____________________________________________ ____________________________________________ • ¿Circulará la misma intensidad de corriente por las resistencias R1 y R4 ? ____________________________________________ ____________________________________________ • Calcula la resistencia equivalente del circuito. • ¿Cuál es la intensidad que pasa por las resistencias R1 y R2 ? • Si se coloca otra pila de 12 V en serie con la pila anterior, ¿cómo variará el valor de la respuesta anterior? _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ _________________________________________________ 4 El calor desprendido por una resistencia que funciona a 220 V se representa en la gráfica. • ¿Cuánto calor se desprenderá al cabo de una hora? • ¿Qué intensidad circula por la resistencia? • Calcula el valor de la resistencia y la potencia. E (J) t (min) 10 20 30 40 4000 3000 2000 1000 0 12 V R1 = 25 Ω R2 = 25 Ω R3 = 60 Ω R4 = 60 Ω Primero, calculamos la resistencia equivalente a las que están en paralelo: 1 _____ Req. (3 + 4) = 1 __ R3 + 1 __ R4 = 1 ___ 60 + 1 ___ 60 = 2 ___ 60 → Req. (3 + 4) = 60 ___ 2 = 30 Ω Luego, hallamos la resistencia total sumando las tres resistencias en serie: RT = R1 + R2 + Req. (3 + 4) = 25 + 25 + 30 = 80 Ω Como se coloca en serie, el voltaje equivalente será de 12 + 12 = 24 V. Por lo tanto, si se duplica el valor del voltaje, también lo hará el valor de la intensidad total que recorre el circuito, por lo que por R1 y R2 circularán 2 × 150 = 300 mA. E = 100 t = 100 × 60 = 6 000 J R = ∆ V ___ I = 220 W _______ 0,008 A = 27 500 Ω P = 1,67 W P = 100 J ____ min × 1 min ______ 60 s = 1,67 W I = P __ V = 1,67 W ______ 220 V = 0,008 A Sí. Porque a menor resistencia mayor corriente transita por ella. Porque se incrementan los choques de las partículas cargadas contra los átomos y moléculas del conductor, favoreciendo así el paso de la corriente eléctrica y disminuyendo la resistencia. Sí, pues ambas están conectadas en serie. Todas las cargas que pasan por la resistencia R1 pasan también por la resistencia R2 . Sí, pues aunque estén asociadas en paralelo, ambas son iguales y no hay otras resistencias conectadas a ellas. Aplicamos la ley de Ohm, puesto que conocemos el voltaje y la resistencia total: I = ∆ V ___ RT = 12 ___ 80 = 0,15 A = 150 mA No, porque las cargas que pasan por R1 luego se dividen y unas pasan por R3 y otras por R4 . 144 © Santillana S. A. Prohibido fotocopiar. D. L. 822 Book 1.indb 144 8/8/16 9:16 AM Comprobamos la ley de Ohm Cuando un conductor se somete a un voltaje, circula por él una corriente eléctrica que es directamente proporcional al voltaje. El voltaje (V), la resistencia (R) y la corriente (i) se relacionan mediante la expresión V = i × R. Cuando por un conductor, sometido a un voltaje V, circula corriente eléctrica i, se disipa energía en forma de calor, lo cual se conoce como efecto Joule. La potencia disipada se expresa como P = i × V. En las siguientes prácticas nos proponemos encontrar experimental-mente la relación entre el voltaje y la corriente eléctrica en un circuito eléctrico sencillo. Además, comprobaremos el efecto Joule. Hipótesis Antes de iniciar la práctica, piensen en los tipos de corriente y en los tipos de corriente eléctrica. Luego, analicen la siguiente pregunta: ¿Cómo se transmite la corriente eléctrica? Materiales • Voltímetro • Amperímetro • Resistencia • Resistencia variable (reóstato) o resistencias de diferentes valores • Fuente de corriente directa Pasos a seguir 1. Construyan un circuito semejante al de la figura del margen. En ella están representados una fuente, un elemento al que llamamos resistencia variable o reóstato representado por Rv, una resistencia R, un voltímetro y un amperímetro. La resistencia variable tiene como finalidad variar la diferencia de potencial a la que está sometida la resistencia R. Si no cuentan con un reóstato, pueden utilizar diferentes resistencias para variar la corriente que circula por la resistencia R. Es recomendable que únicamente mantengan cerrado el circuito mientras toman las medidas, de esta manera evitarán que se calienten las resistencias. 2. Midan la diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia R con el voltímetro. Registren los valores de la corriente en el amperímetro y el voltaje. 3. Varíen la resistencia Rv para obtener distintos valores del voltaje en la resistencia fija. A cada diferencia de potencial corresponde un valor de la corriente que circula por la resistencia R. Registren los datos en la tabla. Resultados Representen los valores obtenidos en el paso 2 en una tabla. Luego, ubíquenlos en un plano cartesiano. Asignen el eje horizontal a la corriente y el eje vertical al voltaje y determinen la pendiente de la gráfica. V (V) i (A) Análisis de resultados 1. ¿Qué sucede con la corriente que circula por la resistencia si se duplica el voltaje aplicado? 2. ¿Qué significado tiene la pendiente de la recta obtenida? ¿Cuáles son sus unidades? 3. ¿Cuál es el valor de la resistencia R? Conclusiones Escriban algunos resultados que puedan caracterizar los siguientes enunciados: • Cuando la resistencia aumenta. • Cuando se procede a medir la intensidad de la corriente. Ampliación Escriban algunos resultados que puedan caracterizar los siguientes enunciados: • Averigüen el funcionamiento de un dínamo y expliquen sus similitudes o diferencias con la experiencia realizada. • Investiguen el efecto de las bobinas usadas en una radio común. Anoten los datos encontrados y saquen sus propias conclusiones. Taller científico Voltímetro Fuente R v R Reóstato Amperímetro A V 261 260 Unidad 7 © Santillana S. A. Prohibida su reproducción. D. L. 822
- 19. SECUNDARIA F DÍA A DÍAEN EL AULA Proyecto Crecemos juntos Física