Saberes previos 1: ¿Has notado alguna vez una sensación de electricidad estática? Explica con qué fenómeno físico se relaciona.

Electricidad\_estática = transferencia de electrones por frotamiento

Completar: el modelo de gas de electrones explica la conducción eléctrica porque en los metales los electrones externos se ____ de sus átomos y forman un ____ de partículas móviles que se desplazan a través del material.

se desprenden ; gas de electrones

Identificar dos aparatos de uso cotidiano que separan cargas eléctricas, tal como lo exige el criterio CE.CN.F.5.9.

Fotocopiadora / impresora láser y electroscopio

Indicar el valor de la carga elemental y comparar la magnitud de la carga de un protón con la de un electrón.

e = 1.602 × 10^-19 C; |q_p| = |q_e|

Libro de Física 1 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Tema 8: Carga eléctrica — origen atómico y conductores

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Saberes previos: (1) Sí, se siente al frotar materiales (suéter de lana, cinta adhesiva) porque se transfieren electrones y se descarga la diferencia de carga. (2) Cargas iguales se repelen y opuestas se atraen (ley de Coulomb); protón y electrón cargan ±1.602×10⁻¹⁹ C, y el protón pesa ≈1836 veces más que el electrón.

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Solución — Página 115

Fisica 1° · 2024

Ejercicio 1

Contenido de la página (página 115)

Tema 8: Carga eléctrica

La página de apertura del Tema 8 establece el marco del estudio de la electricidad estática y la carga eléctrica a nivel atómico.

Criterio de evaluación CE.CN.F.5.9

Argumenta, mediante la experimentación y análisis del modelo de gas de electrones, el origen atómico de la carga eléctrica, el tipo de materiales según su capacidad de conducción de carga, la relación de masa entre protón y electrón e identifica aparatos de uso cotidiano que separan cargas eléctricas.

Objetivo OG.CN.6

Usar las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) como herramientas para la búsqueda crítica de información, el análisis y la comunicación de sus experiencias y conclusiones sobre los fenómenos y hechos naturales y sociales.

Saberes previos (preguntas abiertas del curso)

Ejercicio 1

— ¿Has notado alguna vez una sensación de electricidad estática?

Respuesta orientativa: Sí; es muy común, por ejemplo al quitar un suéter de lana en un día seco y sentir un pequeño calambre en la piel, al sacar la cinta adhesiva de un paquete o al tocar la manilla de un carro después de frotar el asiento. En esos casos se debe a que al frotar dos materiales se transfieren electrones de un cuerpo a otro: uno queda con exceso de carga (negativa) y el otro con déficit (positiva). La diferencia de potencial eléctctrico entre ambos cuerpos o entre un cuerpo y la tierra provoca que la carga se descargue de forma repentina a través del aire, produciendo la pequeña chispa o el calambre que sentimos. La intensidad de la descarga suele ser muy pequeña (del orden de los microamperios), por lo que no resulta peligrosa.

Ejercicio 2

— ¿Cómo crees que se comportan los objetos cargados eléctricamente entre sí?

Respuesta orientativa: Los objetos cargados experimentan fuerzas de interacción eléctrica: dos cargas del mismo signo se repelen y dos cargas de signos opuestos se atraen. Este comportamiento se explica por la ley de Coulomb, según la cual la fuerza eléctrica entre dos cargas $q_{1}$ y $q_{2}$ separadas por una distancia $r$ es proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia:

$F = k \cdot \frac{|q_{1}| \cdot |q_{2}|}{r^{2}}$

con $k = 9.0 \times 10^{9} \, \text{N} \cdot \text{m}^{2}/\text{C}^{2}$ . Así, al aumentar la distancia la fuerza se hace menor rápidamente, y las cargas de igual signo se alejan mientras que las de signo opuesto se acercan hasta neutralizarse (descarga).

Ideas clave que abordará el tema

Origen atómico de la carga: toda materia está constituida por átomos con un núcleo de protones (carga positiva) y electrones (carga negativa); en un átomo neutro el número de protones coincide con el de electrones, y la carga neta se anula.
Carga elemental: la carga de un electrón es $-e$ y la de un protón $+e$ , con $e = 1.602 \times 10^{-19} \, \text{C}$ ; no existen cargas menores que esta magnitud (cuantización de la carga).
Relación de masa protón–electrón: $m_{p} \approx 1.67 \times 10^{-27} \, \text{kg}$ y $m_{e} \approx 9.11 \times 10^{-31} \, \text{kg}$ , de modo que

$\frac{m_{p}}{m_{e}} \approx 1836$

es decir, el protón es unas $1836$ veces más masivo que el electrón, aunque la carga del electrón (negativa) es igual en magnitud a la del protón (positiva). 4. Modelo de gas de electrones: en los metales los electrones externos se desprenden de sus átomos y se comportan como un "gas" de partículas móviles que se desplazan por el material; su movimiento ordenado constituye la corriente eléctrica. 5. Conductores y aislantes: los conductores (metales, solución electrolítica) permiten el flujo fácil de electrones; los aislantes (vidrio, plástico, madera, goma) retienen sus electrones y no conducen carga. 6. Separación de cargas en aparatos cotidianos: fotocopiadoras e impresoras láser (rodillos de carga), generador de Van de Graaff, electroscopio, placas de placas de carga en filtros de aire y en las máquinas que "aspiran" cargas.

Respuesta

La página enmarca el Tema 8 (carga eléctrica) con el criterio CE.CN.F.5.9, el objetivo OG.CN.6 y dos preguntas de saberes previos; las respuestas orientativas tratan sobre la electricidad estática por transferencia de electrones y sobre la regla fundamental: cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen, conforme a la ley de Coulomb $F = k \cdot q_{1} q_{2} / r^{2}$ .

Contenido de la página

TEMA 8: Carga eléctrica

Criterios de evaluación

CE.CN.F.5.9. Argumenta, mediante la experimentación y análisis del modelo de gas de electrones, el origen atómico de la carga eléctrica, el tipo de materiales según su capacidad de conducción de carga, la relación de masa entre protón y electrón e identifica aparatos de uso cotidiano que separan cargas eléctricas.

Objetivos

OG.CN.6. Usar las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) como herramientas para la búsqueda crítica de información, el análisis y la comunicación de sus experiencias y conclusiones sobre los fenómenos y hechos naturales y sociales.

Saberes previos

¿Has notado alguna vez una sensación de electricidad estática?
¿Cómo crees que se comportan los objetos cargados eléctricamente entre sí?

Fuente de la imagen del átomo: https://acortar.link/Daofty

Pie de página: 114 — Texto de Física

Ejemplos resueltos

¿Por qué se siente una descarga al quitar un suéter de lana en un día seco?

Al frotar, los electrones externos de un material se desprenden y se transfieren al otro, dejando un cuerpo con exceso de electrones (carga negativa) y otro con déficit (carga positiva).
Se establece una diferencia de potencial entre ambos cuerpos (o entre un cuerpo y la tierra).
Cuando la diferencia es suficiente, el aire se ioniza y la carga se descarga de forma repentina: aparece la pequeña chispa y el calambre que sentimos. Respuesta: La sensación se debe a la descarga eléctrica de cargas transferidas por frotamiento (electricidad estática).

Dos cargas puntuales de $q_{1} = +2 \times 10^{-6} \, \text{C}$ y $q_{2} = -3 \times 10^{-6} \, \text{C}$ están separadas $0.10 \, \text{m}$ . ¿Cuál es la fuerza entre ellas y qué tipo de interacción hay?

Aplicar la ley de Coulomb: $F = k \cdot \frac{|q_{1}| \cdot |q_{2}|}{r^{2}}$ .
Sustituir: $F = (9.0 \times 10^{9}) \cdot \frac{(2 \times 10^{-6})(3 \times 10^{-6})}{(0.10)^{2}}$ .
Numerador: $(2 \times 10^{-6})(3 \times 10^{-6}) = 6 \times 10^{-12} \, \text{C}^{2}$ ; denominador: $(0.10)^{2} = 0.01 \, \text{m}^{2}$ .
$F = (9.0 \times 10^{9}) \times \frac{6 \times 10^{-12}}{0.01} = 5.4 \times 10^{-2} \, \text{N}$ .
Como los signos son opuestos, la interacción es de atracción. Respuesta: $F \approx 5.4 \times 10^{-2} \, \text{N}$ , atracción.

Tabla

Concepto	Magnitud típica	Observación
Carga del electrón	$q_e = -1.602 \times 10^{-19} \, \text{C}$	Carga elemental negativa
Carga del protón	$q_p = +1.602 \times 10^{-19} \, \text{C}$	Igual magnitud, signo opuesto
Masa del electrón	$m_e = 9.11 \times 10^{-31} \, \text{kg}$	Muy pequeña
Masa del protón	$m_p = 1.67 \times 10^{-27} \, \text{kg}$	$\approx 1836$ veces la del electrón
Constante de Coulomb	$k = 9.0 \times 10^{9} \, \text{N}\cdot\text{m}^2/\text{C}^2$	Usada en la ley de Coulomb
Conductores	Metales, soluciones iónicas	Electrones libres (gas de electrones)
Aislantes	Vidrio, plástico, madera, goma	Retienen sus electrones

Diagrama

flowchart TD
    A[Átomo neutro: Z protones = Z electrones] --> B{¿Qué ocurre al frotar dos materiales?}
    B --> C[Se transfieren electrones de un material a otro]
    C --> D[Material A con exceso de electrones: carga negativa]
    C --> E[Material B con déficit de electrones: carga positiva]
    D --> F[Aparece diferencia de potencial ΔV]
    E --> F
    F --> G[Descarga eléctrica a través del aire: electricidad estática]
    G --> H[Objetos cargados: signos iguales se repelen, opuestos se atraen]

Fórmulas y ecuaciones

Ley de Coulomb: F = k·|q₁|·|q₂| / r²

Relación de masa protón–electrón: $m_p$ / $m_e$ ≈ 1836

Carga elemental: e = 1.602 × 10⁻¹⁹ C

F = k $\cdot$ $\frac{|q_{1}| \cdot |q_{2}|}{r^{2}}$

k = 9.0 $\times$ $10^{9}$ $\$ , $\text{N}$ $\cdot$ $\text{m}@@MATH_0@@\text{C}$ $^{2}$

$q_{$ $\text{electrón}$ } = -e = -1.602 $\times$ $10^{-19}$ $\$ , $\text{C}$

$q_{$ $\text{protón}$ } = +e = +1.602 $\times$ $10^{-19}$ $\$ , $\text{C}$

$m_{p}$ $\approx$ 1.67 $\times$ $10^{-27}$ $\$ , $\text{kg}$

$m_{e}$ $\approx$ 9.11 $\times$ $10^{-31}$ $\$ , $\text{kg}$

$\frac{m_{p}}{m_{e}}$ $\approx$ 1836

$Q_{$ $\text{neta}$ } = $\sum$ $q_{i}$

Glosario (5)

Carga eléctrica: Magnitud física que mide la capacidad de un cuerpo de interactuar mediante fuerzas eléctricas; se mide en coulombs (C).
Electricidad estática: Cargas eléctricas en reposo sobre un material, generadas típicamente por frotamiento (transferencia de electrones).
Modelo de gas de electrones: Modelo de los metales donde los electrones externos se desprenden de sus átomos y se comportan como un gas de partículas libres dentro del material.
Conductor eléctrico: Material que permite el paso de carga eléctrica con facilidad, como los metales o las soluciones iónicas.
Aislante eléctrico: Material que retiene sus electrones y no permite el flujo de carga, como el vidrio, el plástico o la madera.

Preguntas para practicar

¿Has notado alguna vez una sensación de electricidad estática?

Sí: al quitar un suéter de lana, usar cinta adhesiva o tocar un carro después de sentarse. Se debe a la transferencia de electrones por frotamiento, que deja cargas separadas; cuando la diferencia de potencial es suficiente, el aire se ioniza y se produce la pequeña descarga que sentimos.

¿Cómo crees que se comportan los objetos cargados eléctricamente entre sí?

Las cargas de igual signo se repelen y las de signo opuesto se atraen, según la ley de Coulomb F = k·|q₁|·|q₂|/r². La fuerza es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.

¿Por qué el modelo de gas de electrones es clave para entender la carga eléctrica y la conducción en los metales?

Porque en los metales los electrones externos se desprenden de sus átomos y quedan libres, comportándose como un gas de partículas móviles. Estos electrones libres son los responsables de trasladar la carga: al aplicarse un campo eléctrico se ordenan y surgen la conducción y la corriente eléctrica.

Temas y conceptos clave

Tema 8: Carga eléctricaCriterios de evaluación del BGU para el Tema 8Saberes previos sobre electricidad estáticaInteracción entre objetos cargados eléctricamenteCarga eléctricaOrigen atómico de la cargaModelo de gas de electronesConducción de carga en materialesRelación de masa protón–electrónElectricidad estáticaAtracción y repulsión eléctrica

Fuentes y referencias

Imagen del átomo: https://acortar.link/Daofty

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Preguntas que la gente también hace

¿Por qué al frotar un suéter de lana se siente una descarga de electricidad estática?

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¿Cómo se relaciona el origen atómico de la carga eléctrica con el modelo de gas de electrones?

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¿Cuál es la relación de masa entre el protón y el electrón y por qué es importante?

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📌 Antes de leer esto

• Estructura del átomo (núcleo, protones, neutrones y electrones)
• Concepto de masa atómica y unidad de masa atómica (u)
• Distinción entre masa y carga
• Notación científica y unidades del SI (coulomb, newton, metro, kilogramo)

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Fuerza y ley de Coulomb: cálculo de la interacción entre dos cargas puntuales y concepto de campo eléctrico.

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TEMA 8:

Carga eléctrica

Fuente: https://acortar.link/Daofty

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

CE.CN.F.5.9. Argumenta, mediante la experimentación y análisis del modelo de gas de electrones, el origen atómico de la carga eléctrica, el tipo de materiales según su capacidad de conducción de carga, la relación de masa entre protón y electrón e identifica aparatos de uso cotidiano que separan cargas eléctricas.

OBJETIVOS

OG.CN.6. Usar las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) como herramientas para la búsqueda crítica de información, el análisis y la comunicación de sus experiencias y conclusiones sobre los fenómenos y hechos naturales y sociales.

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