Electrical
26 Mar, 2013
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PDFPolarization
PRESENTATION: A non-conductive material (with strongly linked charges that can slightly move from their position of equilibrium) under the action of an external electrical field polarizes and renders a superficial charge. If the material is conductive, there is a free charge movement that generates a superficial charge and the final behavior under an external field is similar.
- The Electric Whirl in the 19th and 21st Centuries, John A. Daffron and Thomas B. Greenslade, Phys. Teach. 50, 536 (2012)
- Attraction and repulsion of metallic particles over water, Jaime Garibay and Carlos E. Hernandez, Phys. Teach. 14, 575 (1976)
INTRODUCTION: Electrical polarization is a vectorial field that expresses the density of the dipolar electrical moments (the product of the electrical charge and the distance between charges of the dipole) permanent or induced in a dielectric material (bad/poor electrical conductor).
If a charged body is approached to a dielectric in which the molecules are distributed at random, the charges of the body will make the molecules to align and the dielectric becomes polarized. Even though its net charge is null, the dielectric shows a negative charge at one extreme and a positive charge at the other.
OBJECTIVES: To prove the existence of this distribution of charges.
MATERIALS: cylindrical tin, polystyreen ball, comb or rule, cloth, scissors.
SETUP: To do this experiment you only need a rolling object, a comb and a cloth to rub it so that it can be electrically charged. It may happen that the tin, if too heavy, does not roll when the charged combed is approached. In this case it can be cut to obtain a lighter ring which can move more easily. Besides, other means to generate more electrical field (therefore more strength) on the tin can be applied, such as a ruler or a rubber stick, which can be rubbed against the skin or the hair. The effect can be more spectacular, even with high environmental humidity, if a Fun Fly Stick is applied:
EXPLANATION: When two bodies are rubbed, the electrons of one are torn and go to the other. As a result, the first one is left without positive charge and the second without negative. If the bodies are bad electricity conductors (plastic, wool, hair) the charge can’t be distributed and can’t move quickly through the material, which then remains localized in the body for some time (electrostatic charge). When an object with this load approaches another that is neuter, the first induces a distribution of charges in the second. This is called polarization in the case of dielectric material.
CONCEPTS: polarization, electrostatics, electric dipole, dipolar moment, dielectric material, electric field, electric charge.
MORE INFORMATION:
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- EXPLORATORIUM 1
- EXPLORATORIUM 2
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- PHYSLETS 1 (Charged Rod and Soda Can)
- PHYSLET 2 (Conservation of Charge)
- PhET
TEXTS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2011-2012: Sara Regueira, Antonio Larramendi, Jonathan Blanco, Jairo Rúa
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STUDENTS 2010-2011: Beatriz Méndez, Ana Otero
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30 responses to "Electrical"
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Este experimento es muy interesante ya que un concepto “abstracto” como es la polarización se puede explicar fácilmente a cualquier persona. Para añadir, los materiales piezoeléctricos son un ejemplo de polarización que se basan en la piezoelectricidad que es un fenómeno presentado por determinados cristales que al ser sometidos a tensiones mecánicas, en vez de utilizar la transferencia de carga como aparece en esta entrada, adquieren una polarización eléctrica, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.
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La polaridad, el efecto triboeléctrico y la electricidad estática están fuertemente relacionados en la mayoría de los experimentos de este apartado de electromagnetismo, sobretodo por su simplicidad y visualización de sus consecuencias.
La polarización en concreto, es el campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares permanentes o inducidos en un material dieléctrico. Los materiales dieléctricos más utilizados son: la madera seca, la goma, la cera, la porcelana, la cerámica o el papel aunque existe otros con esta capacidad como el gas nitrógeno o el hexafluoruro de azufre.
Es importante conocer el material dieléctrico empleado porque el algunos materiales la polarización es permanente mientras que en otros sólo dura mientras estén cerca del campo que los esté polarizando.
Concuerdo con Ainhoa en que las técnicas manipulativas son óptimas para explicar conceptos abstractos, el experimento es muy interesante, aunque yo realizaría otro experimento, para explicar en el aula, que explicase ese mismo concepto, como lo es frotar un bolígrafo BIC con una camiseta unos instantes y observar como atrae a pequeños trocitos de papel, en mi opinión son materiales de uso habitual por los estudiantes en un aula.
Hablando de polarización me gustaría introducir el concepto de polarización electroquímica como la reducción de la fuerza electromotriz de un elemento voltaico como consecuencia de las alteraciones que su propio funcionamiento provoca en sus partes constituyentes, los electrodos y el electrolito. La reducción del voltaje que aparece en los bornes equivale a un aumento de la resistencia interna del elemento. Esta modificación es en parte transitoria, pues, tras interrumpirse la circulación de la corriente, es normal que se recupere, en parte y espontáneamente, la situación anterior al cabo de cierto tiempo. Más información en la siguiente web. Os recomiendo ver el siguiente vídeo donde se puede observar dicho fenómeno en una celda galvánica.
Relacionada con la polarización eléctrica está la polarización electromagnética. Esta es una propiedad de las ondas que pueden oscilar con más de una orientación. Estas ondas electromagnéticas tienen un campo eléctrico y magnético oscilante, pero en distintas direcciones. Sus aplicaciones son muy diversas; están, por ejemplo, los cristales polarizados de los vehículos o gafas de sol, que protegen la vista de la luz directa. Todas las antenas transmisoras o emisoras de radiofrecuencia emplean la polarización electromagnética. Teniendo en cuenta que la polarización lineal de la luz de cielo es siempre perpendicular a la dirección del sol, muchos insectos se sirven de tal hecho para orientarse.
La polaridad eléctrica se puede explicar con múltiples ejemplos, uno clásico es el de acercar al pelo un bolígrafo con cuerpo de plástico, después de haberlo frotado, por ejemplo, contra un jersey.
En este vídeo se muestra un ejemplo de este concepto con globos.
El fenómeno de la polarización me parece muy interesante y el experimento propuesto con la lata y la regla me parece curioso y muy gráfico ( se sale del clásico del bolígrafo y los trocitos de papel). En el campo de la Química la polarización sirve, por ejemplo, para entender las uniones intermoleculares . Las conocidas Fuerzas de VAN DER WAALS.
Vídeo interesante sobre la polarización. Me gusta el hecho de que aunque es algo simple se ve que aporta cierta diversión, cosa que es necesario en una clase de ciencias. En el siguiente enlace podemos encontrar algo de mas información a cerca del fenómeno de polarización eléctrica.
Hago referencia al comentario expuesto anteriormente sobre el vídeo de la Electricidad estática ya que este vídeo también se encuentra relacionado con el otro: ¿Quién no ha experimentado alguna vez esto con un globo? Esta experiencia resulta, al igual que la experiencia con el globo de muy fácil aplicación y los recursos requeridos de fácil acceso y coste prácticamente nulo, ya que son objetos que encontramos en todas las casas. Creo que sería una buena experiencia para realizar con los alumnos de 3º ESO. Dicha experiencia permitiría introducir contenidos sobre la relación de las cargas eléctricas, la construcción de la materia, etc., lo que les ayudaría a interpretar los fenómenos eléctricos así como a valorar la electricidad en la vida cotidiana. En el siguiente enlace, portal de simulaciones, se encuentra una simulación interactiva sobre el globo y la electricidad estática.
Este experimento me parece muy interesante para aplicarlo al aula, porque permite que los alumnos observen de manera macroscópica fenómenos que también ocurren a nivel molecular. Esta actividad permite trabajar conceptos como la interacción entre cargas ( del mismo signo o de signos contrarios) y profundizar en un tiempo de fuerzas existentes que son las dipolo-dipolo inducido, en donde una molécula con una distribución de carga o lo que es lo mismo, un momento dipolar diferente de cero, se acerca a una molécula neutra y origina una reorientación de sus cargas de forma transitoria. Esto permite que gases como el oxígeno o el nitrógeno se disuelvan en el agua. Os dejo un enlace en el que se explican diferentes fuerzas moleculares y con iones, entre las que se encuentran las fuerzas dipolo-dipolo inducido.
Un dipolo eléctrico es un sistema constituido por dos cargas de misma magnitud pero de signo opuesto que se encuentran cercanas entre sí. Un ejemplo claro que el alumnado tiene que ser capaz de visualizar es la molécula de agua, cuya carga total es neutra pero la distribución de los electrones es asimétrica haciendo que sea una molécula polar. En el entorno del oxígeno hay una densidad de carga negativa provocando que los átomos de hidrógeno queden cargados parcialmente con carga positiva. Como consecuencia de esto, una molécula de agua interacciona con otras formando enlaces por puente de hidrógeno por una interacción dipolo-dipolo. En esta página hay más información sobre ello.
Moléculas como el ADN poseen también capacidad de polarización eléctrica. Ésta es una propiedad que influye directamente en las funciones biológicas de dichas moléculas. En el caso del ADN, la polarización, representada por la constante dieléctrica es una propiedad clave que modula las interacciones del ADN con las proteínas. No fué hasta el año 2014, cuando científicos españoles consiguieron medir por primera vez la constante dieléctrica de esta molécula fundamental para la vida.
Gran experimento para poder introducir outros conceptos de aplicación tecnolóxica como poden ser os condensadores. Neste caso, se dispoñemos de dúas placas metálicas enfrentadas ás cales lle aplicamos unha diferencia de potencial, estas polarizarán o material que se encontre entre as mesmas (dieléctrico), neste caso inicial, aire. Dita capacidade de polarización do dieléctrico, e por tanto da cantidade de cargas que podemos almacenar tamén nas propias placas metálicas, depende das características do mesmo, máis concretamente, da constante dieléctrica k. A maior valor de constante k, maior será a capacidade de polarización das moléculas presentes no dieléctrico. Se seguimos analizando as diferentes variables que teñen peso no resultado final, alcanzaremos a fórmula que determina a capacidade dun condensador. No seguinte enlace podedes encontrar unha descripción detallada da mesma e a explicación como, a través do fenómeno de polarización, podemos describir o funcionamento dun condensador.
El vídeo propuesto lo cierto es que es muy sencillo y visual, otro ejemplo, podría ser el que se muestra en este otro vídeo. En él, se usa un globo en lugar de un tubo de ensayo y se emplea un chorro de agua, por ejemplo, un grifo abierto o un vaso con un pequeño agujero. Al cargar el globo, frotándolo contra un jersey, y acercarlo a la corriente de agua, este polariza las moléculas de agua, pudiendo observar como las moléculas de agua son atraída por el globo y modificando así la trayectoria del chorro de agua. Esto es debido a que, como dijo anteriormente Claudia en su comentario, las moléculas de agua son polares. En presencia de un campo eléctrico, como el generado por el globo una vez cargado, las moléculas de agua se polarizan, orientando su extremo de carga opuesta a la del globo hacia este y haciendo que el chorro de agua se acerque al globo.
Está todo muy claro, con una explicación realmente clara. Es verdaderamente didáctico.
La verdad es que me esperaba más de los vídeo… mucho texto para tratarse de un vídeo.
Creo que si pensamos en una molécula dipolar a todo el mundo se le viene a la cabeza el agua. La molécula de H2O es probablemente la más estudiada durante toda la etapa de secundaria y bachiller. Ente las propiedades de esta molécula siempre destaca la de ser un dipolo magnético. Como vimos en la explicación y en los vídeos, estas moléculas se pueden ver afectadas por las cargas de otras generando carga electroestática. El mismo efecto que se observó con las bolas y con la lata lo podemos observar en este vídeo para el agua. En este ejemplo se emplea un globo que al frotarlo con un material como la lana se carga. Posteriormente se acerca a un pequeño chorro de agua y se observa una fuerza de repulsión entre ambos, desviando el chorro hacia la posición contraria al globo.
Un ejemplo común de cómo hacer electricidad estática sería frotar un globo contra un trozo de lana. En este proceso de fricción o rozamiento algunos electrones de la lana pasan a el globo. El globo queda con carga negativa y la lana con carga positiva. Tanto el globo como la lana quedan cargados eléctricamente con electricidad estática y se repelerán.
Un material dieléctrico é un material que non conduce a electricidade, pero ao aumentar moito o campo eléctrico que pasa polo dieléctrico, este pódese volver un material conductor, isto sería unha breve explicación do que pasa nos casos de frotar os globos ou un bolígrafo dos que se fala nalgúns comentarios.
Ademais, os dieléctricos teñen a capacidade de soportar eses campos eléctricos sen perder as súas propiedades illantes (rixidez dielécctrica).
Os materiais dieléctricos foron descubertos polo físico e matemático frances Étienne-Louis Malus no século XVIII. Malus descubriu que algúns materiais, como o vidro, permiten que os campos eléctricos pasen a través del, pero non conduce a electricidade. Esta propiedade dos materiais foi chamada “dieléctrica”, e os materiais que a posúen foron denominados “materiais dieléctricos”. Malus fixo varias observacións sobre a natureza dieléctrica dos materiais e publicou os seus resultados en 1809 nun libro titulado “Memoria sobre a polarización óptica dos corpos opacos”. Os materiais dieléctricos teñen unha ampla gama de aplicacións na actualidade. Por exemplo, son utilizados en capacitores eléctricos, que son componentes electrónicos que almacenan electricidade. Tamén son utilizados en pantallas de ordenador e dispositivos móbiles para protexer os circuitos eléctricos e para mellorar a calidade da imagen. Ademais, os materiais dieléctricos son utilizados en transformadores eléctricos para aumentar ou reducir o voltaxe de corrente eléctrica. Tamén son utilizados en sistemas de transmisión de radiofrecuencia para mellorar a eficiencia de transmisión de sinais de radio.
Existen una infinidad de experimentos posibles hablando de cargas electrostáticas en esta página aparecen varios entre ellos uno similar al planteado en esta página. Históricamente se habla de este fenómeno desde el año 600 a.C., cuando el filósofo Tales de Mileto descubrió que frotando el ámbar, este adquiría la propiedad de atraer objetos pequeños. Y algo más tarde, sería Teofrasto (310 a.C.) el que escribiera el primer tratado sobre electricidad.
En liña con comentarios anteriores, outro experimento moi sinxelo para observar a polarización sería frotar un globo contra o pelo da nosa cabeza e a continuación pasar o globo cargado cerca do brazo, observaríamos como o globo atrae os pelos do brazo.
Estoy de acuerdo con muchas de las opiniones planteadas y añadiría además que este experimento puede servir como base de propuesta a los alumnos para que investiguen acerca de los posibles usos de la polarización de los materiales magnéticos para ser usados como medios de almacenamiento de información. Posiblemente por la edad de los alumnos actualmente no estén familiarizados con los soportes en cinta magnéticos que utilizan los principios explicados en el experimento para generar un almacenamiento persistente de la información.
La electrostática es la rama de la física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica. Las cargas eléctricas del mismo signo se repelen y las cargas eléctricas de distinto signo se atraen. La electrización es el proceso mediante el cual un cuerpo adquiere una carga, esta electrización puede ser por frotamiento, por contacto o por inducción. En la siguiente simulación se explica paso a paso este último fenómeno: la electrización por inducción. Al acercar un cuerpo cargado al conductor neutro, las cargas eléctricas se redistribuyen de manera que las de signo igual a las del cuerpo cargado se alejan en el conductor y las de signo contrario se aproximan al cuerpo cargado, quedando el conductor polarizado. La carga neta inicialmente no varía en el cuerpo neutro, pero se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas en las diferentes zonas. En consecuencia aparecen, entre los dos cuerpos, una fuerza de atracción y otra de repulsión. La fuerza de atracción es mayor que la de repulsión, porque las cargas del mismo signo de los dos cuerpos están más lejos que las cargas de signo opuesto, por lo que el objeto neutro se acercará al objeto cargado, como ocurre en el vídeo =) Podría mencionarse en este contexto la ley de Coulomb, que es la que establece que la fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Proyecto más que interesante que demuestra al alumnado más joven que no es necesario ser Harry Potter ni conocer hechizos como el “wingardium leviosa” para conseguir desplazar objetos sin tocarlos, ya que la ciencia le proporciona una guisa rudimentaria pero eficaz de hacerlo, en este caso, a través de la polarización eléctrica.
Esta entrada me ha parecido muy interesante, aunque complicada para explicárselo a mis futuros alumnos. Es por ello que he investigado alguna forma más sencilla de poder trabajar estos conocimiento con ellos. A continuación os adjunto un link a un mapa de conceptual que puede ser interés para vuestro alumnado.
El siguiente video me parece interesante porque enseña cómo identificar los distintos polos de un imán.
Un experimento clásico y sencillo para explicar la polarización, que nunca deja de ser curioso para poner en práctica con niños por lo “mágico” de convertir objetos usuales en imanes, aunque para ciertas edades puede resultar complejo explicar cómo se forman los dipolos eléctricos.
Fenómeno muy interesante y que pasa constantemente. Cuando nos quitamos un jersey, por ejemplo y el pelo nos queda cargado o al estar en la oficina con sillas de ruedas de plástico, si no llevas un calzado adecuado, tu cuerpo se va cargando y das descargas al tocar a otras personas u objetos.
Este experimento de polarización ilustra cómo materiales, conductores y no conductores, responden a un campo eléctrico externo. Cuando frotamos objetos como plástico o lana, generamos cargas electroestáticas que, al acercarse a un objeto neutro, inducen una distribución de cargas, demostrando la polarización en materiales dieléctricos. Este fenómeno se refleja en situaciones cotidianas, como el polvo que se adhiere a pantallas electrónicas, ejemplificando la relevancia práctica de estos conceptos teóricos.