Charging
30 Jun, 2013
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PDFBy induction
PRESENTATION: Electrically neutral matter has the same number of protons and electrons and can be charged when rubbing it with another object and there is electron transfer. In this case another more electroaffinitive material will obtain a negative charge because it attracts electrons towards itself while a less electroaffinitive material will obtain a positive charge because it yields electrons.
- Roll over, Rover, Mike Shaw, Phys. Teach. 49, 248 (2011)
- Electrostatics with Computer-Interfaced Charge Sensors, Robert A. Morse, Phys. Teach. 44, 498 (2006)
INTRODUCTION: The electric charge is a physical property of some subatomic particles which manifests itself by means of forces of attraction or and repulsion among them. The electrically charged matter is influenced by the electromagnetic fields, being at the same time their generator. The so-called electromagnetic interaction between charge and electric field is one of the four fundamental interactions of Physics. From the perspective of the standard model, the electric charge is the capacity of the measure a particle possesses for the exchange of electrons.
OBJECTIVE: To check the behaviour of two charged spheres when a negative charge approaches them.
MATERIALS: two ping pong balls covered with aluminum foil, cord, balloon, holders, piece of wool.
SETUP: We cover the balls with aluminum foil and we hang them from the holder so there is contact between them. We charge the balloon negatively rubbing it with the piece of wool and we approach it to one of the balls. Then a repulsion can be observed, provoked by the negative particles of the sphere. This first sphere is charged positively and the second negatively.
EXPLANATION: when the balloon is rubbed with the piece of wool it charges negatively. When it is approached to the first of the spheres (with neuter charge) the charges are distributed between the two spheres and the one in contact with the balloon is charged positively and the other negatively. The negative charge of the balloon makes one sphere be totally charged in positive and the other totally in negative.
CONCEPTS: electrostatic charge, charging by induction, polarization charge.
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- F.W. Sears, M.W. Zemansky, H.D. Young, R.A. Fredman, Física Universitaria, Pearson, 2010.
STUDENTS 2012-2013: Sergio Martínez, Manuel Ribá, Luis Rodríguez, Noela Rama
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
29 responses to "Charging"
Un ejemplo de carga por inducción se produce cuando una persona se carga eléctricamente por fricción con algún tipo de material como la lana del jersey y se acerca a otra persona, le emite una descarga eléctrica debido a la diferencia de cargas entre los dos, esta descarga se da antes de que las personas se toquen. O los rayos, que son sencillamente una descarga de electricidad estática acumulada en una nube sobre el suelo, que se produce de forma violenta liberando luz y energía térmica.
Este mismo fenómeno se manifiesta de distintas formas. Una que me ocurre personalmente a menudo y que seguro que a todos nos ha pasado alguna vez es la descarga que te da el coche cuando vas a cerrar la puerta.
Esto se debe a que mientras el coche circula algunos de sus electrones son arrancados debido a la fricción. Cuando tu lo tocas los recupera de tu piel produciendo ese calambre tan característico.
En relación con los comentarios anteriores, con respecto a cómo el cuerpo humano también puede cargarse eléctricamente, quería añadir que esta particularidad puede resultar peligrosa, especialmente para las personas que trabajan con materiales inflamables.
En este enlace podemos consultar un documento muy interesante del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo que habla de las cargas electrostáticas, tanto de cómo se generan (podemos cargarnos por contacto o por inducción), como de los peligros que suponen y las medidas de prevención que se establecen.
Una de las medidas de prevención es el aumento de la humedad relativa en lugares donde exista un peligro potencial de ignición o explosión, esto crearía una película conductora sobre los materiales de forma que las posibles cargas se recombinarían y neutralizarían antes de que llegase a producirse la chispa.
En la naturaleza también se desarrollan procesos de carga por inducción. Las nubes están conformadas por cargas positivas y negativas; la zona inferior de la nube, cargada negativamente, induce que la superficie terrestre se cargue positivamente; debido a ello se producen los rayos, ya que la tierra inicialmente tenía carga neutra, pero sus cargas son redistribuidas por la acción de las cargas negativas de las nubes. Benjamin Franklin demostró que la carga fluye fácilmente hacia objetos puntiagudos, por eso los pararrayos tienen actualmente esa forma.
Otros de los casos en los que el propio cuerpo se carga es si corremos en una cinta, si en Enero os apuntáis a un gimnasio y os ponéis a correr, veréis que al llevar las manos a la superficie metálica (sensores) os dará un chispazo… O si después de correr en la misma dais la mano a alguien también puede suceder. Otro caso, más curioso si cabe, sucede si acercamos dos superficies metálicas, una de ellas conectada a una corriente eléctrica negativa, a una llama (vela o similar). Veremos como la llama se hace más plana intentando acercarse a ambas superficies; es decir, los iones positivos irán hacia la placa metálica cargada negativamente y los iones negativos a la opuesta. Se estaría creando una inducción eléctrica por la cual la placa opuesta se carga positivamente. Si al cabo de un pequeño período de tiempo acercamos ambas placas, observaríamos un “rayo” tal y como sucede en una tormenta eléctrica, salvando las diferencias de carga eléctrica, lógicamente.
Videos moi axeitados para usar e poñer en práctica no ensino secundario.
Cuando era niño los experimentos con bolas de saúco envueltas en papel albal y colgadas de un hilo servían para entender que
existían cargas. Considerabamos que erán como un juego, pero sin utilidad real. Hoy después de 40 años, los efectos de induccción se utilizan para cargar teléfonos móviles (por comodidad) o para cargar cepillos eléctricos en el cuarto de baño (para evitar electrocuciones).
En el vídeo se observa un resultado de la inducción electromagnética. Si bien es muy bonito y didáctico, me gustaría compartir esta otra página web en la que se detalla otra experiencia para explicar el mismo efecto. De cuantos mas recursos didácticos se disponga, mejor.
Hay una revisión muy interesante sobre Geomagnetismo en una revista especializada en geofísica: “A Millennium of Geomagnetism” (David P. Stern, Review of Geophysics, 40, 1-30). La NASA tiene archivada una página de divulgación con recursos para profesorado derivada de este artículo, disponible tanto en inglés como en castellano, que me parece interesante para todos los conceptos relativos a electromagnetismo.
Sempre que me atopo con conceptos relacionados co electromagnetismo venme á cabeza unha demostración que fixera o meu profesor de Tecnoloxía Industrial II de 2º de Bacharelato para ilustrar o concepto de piezoelectricidade. A piezoelectricidade é un fenómeno que acontece en certos cristais, de maneira que ao aplicar sobre eles algunha tensión mecánica prodúcese a polarización da súa masa, o que xera unha diferencia de potencial e cargas eléctricas na súa superficie. Por exemplo, os cuarzos, as turmalinas e algunhas cerámicas presentan esta curiosa propiedade, que tamén funciona á inversa, de maneira que unha corrente eléctrica pode provocar unha deformación neste tipos de materiais. Podedes atopar máis información sobre a piezoelectricidade neste vídeo, que tamén mostra a demostración que fixo o meu profesor a partires do minuto 6:40. Aquí tedes outro vídeo de dito experimento, incorporando ademais a piroelectricidade.
A piezoelectricidade está detrás do funcionamento dos chisqueiros eléctricos, dos reloxos de cuarzo, dalgúns sensores de vibración, das pastillas (pickups) das guitarras ou dos inxectores de combustíbel dos motores de combustión interna. Como vedes, é moi útil para a nosa vida.
La carga inalámbrica, también conocida como carga por inducción, es una práctica manera de cargar los dispositivos electrónicos sin necesidad de usar cables. Requiere de un cargador normalmente en forma de disco (provisto de una superficie lisa o un soporte que se enchufa a una fuente de corriente) y de un smartphone, smartwatch u otros dispositivos electrónicos que sean compatibles con la carga inalámbrica. El problema de la carga inalámbrica no es otro sino la velocidad de carga. Nunca podremos conseguir la misma velocidad de carga en un equipo inalámbrico que conectando el cable y además suelen provocar temperaturas más altas en el dispositivo que una carga con cable regular.
En canto á inducción electromagnética, hai un video moi interesante neste enlace, sobre a lei de Faraday. Podemos ver unha demostración de como o campo magnético xerado por unha bobina, fai levitar unha placa de aluminio dun kilogramo, ao tempo que produce o quecemento da mesma. Ademais, podemos ver como a inducción provoca que se iluminen as bombillas dunha lámpara cando se colocan sobre a placa.
Una aplicación de la carga por inducción es la utilización de “witricidad”, es decir, la transferencia inalámbrica de energía para proporcionar energía eléctrica sin cables. Este método de carga se está empezando a emplear con los vehículos eléctricos (desde automóviles personales hasta autobuses). Aunque está en desarrollo, podría convertirse en el método estándar para recargar los vehículos eléctricos en unos años.
Buscando en google scholar “electricidad estática” he accedido al registro de este vídeo del repositorio virtual de la Universidad de Guadalajara (México), en el que se exponen los conceptos de carga por fricción, interacción entre cargas, y carga por inducción, a través de un experimento con esferas metálicas. Este es el link al vídeo y esta es la página de inicio de UDGVirtual, fuente de recursos online
Además de las mencionadas por los compañeros anteriores, la carga por inducción tiene aplicación en la llamada pintura electrostática. Este es un tipo de recubrimiento que se puede aplicar en forma de fluido o de polvo seco y que está cargado electrostáticamente de diferentes maneras. Una forma de cargar este tipo de pintura es mediante la aplicación de una carga negativa a la pintura mientras esta está en el depósito. Otra forma de aplicar la carga sería mediante el cañón de la pistola que se emplea para rociar la pintura. En este caso, la pintura es impulsada a través de la pistola, frotándose contra el costado, ganado carga eléctrica estática a medida que se mueve. Las partículas de pintura tienen una carga opuesta a la del objeto que se pretende pintar, por lo que se sienten atraídas por él. De esta forma las partículas de pintura tienen menos probabilidades de permanecer en el aire, evitando la contaminación del medio ambiente. Además, esto también evita la pérdida de pintura útil, aumentando la productividad y ahorrando costes. En esta página se explica qué son y cómo funcionan las pinturas electrostáticas. También incluye un video ilustrativo de su funcionamiento, así como de sus ventajas.
Ao procurar en Google carga por inducción, aparece carga por inducción da bateria dos teléfonos mobiles. Estes novos cargadores son inalámbricos e basta con poñer o cargador e o móbilen contacto para que este último comece a cargar. ¿Usarán a carga por inducción os móbiles do futuro de xeito xeneralizado? Como xa comentaron algúns compañeiros, pode que a carga por inducción no futurosexa empregada para cargar móbiles e tamén vehículos. Pero..como funcioan realmente? Este vídeo explícao.
Este vídeo lembroume ao que ocorre co pelo. Se frotas un globo cunha prenda de lá e o acercas ao cabelo este síntese atraído polo globo. Isto mesmo ocorre con algunhas pranchas ou secadores de pelo, maioritariamente coas primeiras. Incluso tamén se pode xerar está electricidade no pelo ao ser peiteado cun peine de plástico. Actualmente estanse fabricando diferentes produtos para reducir e eliminar a electricidade estático do pelo. Quizás o que máis uso ten é o secador chamado ‘iónico’ que xera ions negativos en lugar dos positivos que son os responsables da carga electroestática do cabelo .
Existe la secuencia triboeléctrica, una lista de materiales dispuestos en un orden determinado. Frotando dos materiales de la secuencia, el que esté en la posición más alta se cargará positivamente, mientras que el que se sitúe más abajo se carga negativamente. Además cuanto más separados estén los materiales en la tabla, más intensa es su electrización.
Buscando información en la web sobra la carga por inducción, me he encontrado con el siguiente artículo en el que se menciona, que ya hay empresas de ingeniería en Reino Unido realizando pruebas para permitir que los vehículos se carguen de forma inalámbrica sobre el propio asfalto. Desde luego, considero que este sería el impulso definitivo que necesitan los coches eléctricos.
Creo que poco a poco empiezan a aparecer más y más elementos (dispositivos móviles, tablets, coches…) que están utilizando este sistema de carga por inducción. En esta publicación explica claramente el fenómeno para entender como circulan las cargas eléctricas.
Una problemática relacionada con la carga electroestática se produce de forma habitual en las gasolineras de todo el mundo. Después de estar tiempo en un espacio aislado (no puesto a tierra) como es el caso de un vehículo, con movimientos realizados en superficies que faciliten que poco a poco nos vayamos cargando de carga electroestática y salimos para realizar un repostaje nosotros mismos en una gasolinera sin habernos descargado es posible que podamos provocar una chispa que genere la ignición del combustible que estamos vertiendo. Esto es posible ya que el líquido que se deposita desplaza hacia la boca del tanque los vapores altamente inflamables que estos se fueron acumulando. Aquí podemos tomar recomendaciones simples para evitar este fenómeno como puede ser descargarse tocando el techo del coche antes de repostar o evitar volver introducirse en el coche mientras continúa el repostaje.
Este tipo de fenómenos físicos, que presentados al alumnado de una forma clásica, puede hacer que no les vean utilidad o piensen que son fenómenos de laboratorio. Sin embargo, llevados a la vida real, pueden ser de gran utilidad. Entender la carga electrostática y lo que puede suponer, desde algo tan inocuo como que el carrito del super te de un calambre, hasta un incendio en una gasolinera tras un viaje en el coche. También la importancia de minimizar la electricidad estática en las fabricas de componentes electrónicos, ya que puede devenir en problemas en la fabricación de los mismos. Entender el fenómenos nos permite implementar contramedidas para minimizar el impacto. En definitiva, entender el impacto práctico de fenómenos físicos como este es importante para que a los alumnos les resulte de utilidad en su día a día.
Muy interesante esta explicación sobre la transferencia de electrones y para llevar al aula. Recuerdo que en lugares muy secos donde haya tarima flotante con abudante paso de gente, el material de la tarima se carga, y esta puede producir desagradables descargas de electricidad en las personas. A mi me pasó en algún local y fue la explicación que recibí.
Un buen experimento para llevar al aula y explicar de forma muy visual el principio de la Ley de Coulomb, que muestra cómo se comportan dos cargas en reposo.
Profundizando en este tema, me gustaría tratar como esto se lleva hoy en día a la industria para diferentes procesos de calentamiento. Es la siguiente iteración de la inducción, usar un inductor para que el secundario en vez de conducir una corriente, se caliente. Es muy interesante porque conjuga muchos de los efectos estudiados en las clases de física: a) cuando una corriente alterna se aplica al primario de un transformador, se genera un campo electromagnético. Según la Ley de Faraday, si el secundario del transformador se coloca dentro del campo magnético, se induce una corriente eléctrica. En una configuración básica de calentamiento por inducción, una fuente de alimentación genera una corriente alterna que atraviesa un inductor (normalmente una bobina de cobre) y la pieza a calentar se sitúa dentro de dicho inductor. El inductor actúa de primario del transformador y la pieza de circuito secundario; b) cuando la pieza metálica es atravesada por el campo magnético, se inducen corrientes de Foucault en dicha pieza. Las corrientes de Foucault fluyen contra la resistividad eléctrica del metal, generando un calor localizado y preciso sin ningún contacto directo entre la pieza y el inductor. Este calentamiento ocurre con piezas magnéticas y no-magnéticas, y a menudo se conoce como “Efecto Joule” que hace referencia a la primera ley de Joule (fórmula científica que expresa la relación entro calor producido y corriente eléctrica a través de un conductor). Esta explicación la he obtenido en la siguiente web y ahí podréis encontrar muchos ejemplos de aplicaciones: templado de piezas, soldadura,…
A indución está tamén moi presente na química, por exemplo, na existencia das forzas intermoleculares. Nas moléculas apolares adoitan crearse dipolos inducidos temporais pola aproximación de ións ou moléculas polares. Entre estas moléculas establécese un campo eléctrico que as mantén unidas durante un breve tempo. Este tipo de forzas son as responsables de fenómenos tan importantes como que o osíxeno poida disolverse na auga.
Un poco de historia: El primer experimento relacionado con la electricidad estática es el del filósofo griego Tales de Mileto quien, en el siglo VII a.C., descubrió que si se frotaban un trozo de ámbar y un paño, ambos eran capaces de atraer hacia la zona frotada pequeñas partículas o materiales muy ligeros (trocitos de papel). Pero no fue hasta 1843, cuando el científico británico Michael Faraday realizó el experimento del cubo de hielo de Faraday que demuestra el efecto de la inducción electrostática en un contenedor conductor.
Este experimento es muy simple y sencillo de realizar en el aula para que puedan entender la inducción electromagnética en la asignatura de Física y Química. Estos experimentos son complementarios y necesarios para introducir al alumnado en la ciencia y crear en ellos la curiosidad y el entusiasmo por aprender, diseñar e inventar. Hacer personas creativas no frustradas. En las manos del docente está esta motivación. Aquí dejo un pequeño vídeo que aunque es más laborioso de realizar es muy divertido.
Este experimento práctico sobre carga eléctrica y campos electromagnéticos brinda a los estudiantes la oportunidad de visualizar conceptos teóricos abstractos. Al cargar un globo negativamente y acercarlo a dos esferas neutras recubiertas de papel de aluminio, los estudiantes observan la redistribución de carga, generando atracción entre las esferas. Este proceso refuerza la comprensión de la transferencia de carga, el modelo estándar y la influencia de campos electromagnéticos. Además, promueve el desarrollo de habilidades experimentales y el pensamiento crítico, enriqueciendo el aprendizaje en física de manera práctica y significativa.