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2. La naturaleza eléctrica de la materia

La materia está formada por átomos.
Cuando se frotan determinados materiales se producen fenómenos eléctricos.

En el siglo VI a. C., Tales de Mileto sabía que, cuando se frota un paño de lana con un trozo de ámbar, ambos son capaces de atraer materiales muy ligeros, como plumas o cabellos. Este fenómeno se denominó electricidad (elektron, «ámbar»). Posteriormente, Cisternay du Fay (1698-1739) y Benjamin Franklin (1706-1790) describieron la existencia de dos tipos de cargas eléctricas y estudiaron los fenómenos de electrización.

2.1. Los fenómenos de electrización

¿Qué ocurre si frotas una regla de plástico con la manga de tu jersey de lana y lo acercas a unos trocitos de papel?

Al acercar la regla a unos trozos de papel, estos serán atraídos por la regla.

Como puedes observar en las fotografías, si frotamos una regla de plástico con un tejido de lana y, a continuación, lo acercamos a unos trozos de papel, estos serán atraídos por la regla.

¿Por qué crees que ocurre esto?

Si ahora frotamos una varilla de vidrio con un pañuelo de seda y la acercamos a un péndulo eléctrico (construido con una bolita de espuma de poliestireno), observaremos que, inicialmente, el péndulo es atraído por la varilla, pero al entrar en contacto con ella, la bolita de poliestireno es repelida por la varilla.

¿Por qué crees que en este caso la bolita de poliestireno es repelida cuando entra en contacto con el vidrio?

¿Qué nos ocurre, en algunas ocasiones, al ponernos o quitarnos una prenda de vestir fabricada con fibras sintéticas?

Los fenómenos de electrización se justifican mediante una propiedad de la materia denominada carga eléctrica.

La cantidad de carga eléctrica, Q, es una magnitud física y su unidad en el SI es el culombio (C).

Así, concluimos que:

En la materia existen dos tipos de cargas eléctricas denominadas, de forma arbitraria, negativa y positiva.
Un cuerpo es eléctricamente neutro cuando el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas.
Un cuerpo solo puede adquirir carga eléctrica cuando gana o pierde cargas negativas. Así, un cuerpo eléctricamente neutro que pierde cargas negativas se transforma en un cuerpo cargado positivamente, y uno que gana cargas negativas se convierte en un cuerpo cargado negativamente.
Dos cuerpos con cargas del mismo tipo se repelen, mientras que si tienen cargas de distinto tipo se atraen.

2.2. Electrones y protones

Los fenómenos de electrización y los relacionados con la corriente eléctrica, conocidos a finales del siglo XIX, pusieron de manifiesto que el átomo es divisible y que está formado por partículas más pequeñas que tienen carga eléctrica.

¿Cuáles crees que son estas partículas?

A finales del siglo XIX y comienzos del XX, varios científicos realizaron diferentes experimentos con tubos de vidrio, como el del dibujo, que contenían un gas a baja presión al que se sometía a descargas eléctricas de alto voltaje.

Estas experiencias permitieron a J. J. Thomson (1856-1940) identificar la partícula responsable de la carga eléctrica negativa, el electrón, y a E. Goldstein (1860-1930), la partícula responsable de la carga eléctrica positiva, el protón. Asimismo, sirvieron para determinar los valores numéricos de sus cargas eléctricas y sus masas.

	Electrón	Protón
Carga	Negativa	Positiva
Carga eléctrica	−1,602 · 10⁻¹⁹ C	1,602 · 10⁻¹⁹ C
Masa	9,109 · 10⁻³¹ kg	1,673 · 10⁻²⁷ kg
Descubrimiento	J. J. Thomson, 1897	E. Goldstein, 1886

Ideas claras

El átomo es divisible.
El átomo contiene cargas positivas y negativas.
El electrón es la partícula negativa del átomo y el protón es la positiva.
El valor numérico de la carga del protón y del electrón es el mismo.
Un átomo neutro tiene el mismo número de protones y electrones.

La carga del electrón es la más pequeña que existe, y por eso recibe el nombre de carga eléctrica elemental.

Observa que, en valor absoluto, es decir, sin tener en cuenta el signo, la carga del electrón es la misma que la del protón. Por tanto, podemos afirmar que en un cuerpo eléctricamente neutro el número de electrones debe ser igual al número de protones.

Ya hemos identificado las partículas elementales electrón y protón. ¿Cómo están situadas en el átomo?

La respuesta nos la dan los diferentes modelos atómicos que los científicos han ido describiendo a lo largo del siglo XX.

Identifica la trayectoria que siguen los electrones en un tubo de descarga.

¿Cuántas veces es mayor la carga del protón que la del electrón?

Datos: carga del protón = 1,602 · 10−19 C, carga del electrón = −1,602 · 10−19 C

¿y la masa?

Datos: masa del electrón = 9,109 · 10−31 kg, masa del protón = 1,673 · 10−27 kg

¿Qué tienen en común el protón y el electrón? ¿Qué les diferencia?

El protón y el electrón tienen en común:
El protón y el electrón se diferencian en:

Sabiendo que la carga del electrón es 1,602 ⋅ 10−19 C, ¿cuántos electrones son necesarios para tener una carga de 1 C?

¿Cuántos electrones tiene en exceso un cuerpo cuya carga es −2 C?

Un cuerpo con carga −2 C tiene en exceso

¿Y cuántos electrones le faltan a un cuerpo cuya carga es +2 C?

En este vídeo se explica con una animación las experiencias que algunos científicos, como Thomson, realizaron en los tubos de descarga de gases y que les permitieron descubrir el electrón y alguna de sus propiedades.

Este experimento consiste en un sistema eléctrico que permite "disparar" electrones hacia una pantalla. La pantalla tiene una cubierta de fósforo que emite luz cuando le impacta un electrón y plomo para evitar la radiación peligrosa. Como los electrones viajan desde el "disparador" hacia la pantalla, ¿a cuál llamarías cátodo y a cuál ánodo? Efectivamente, como lo electrones viajan desde el cátodo hacia el ánodo, la pantalla está actuando como ánodo. Lo más interesante del experimento es que si acercas un imán o un campo eléctrico a la trayectoria que siguen los electrones, la luz en la pantalla aparece desviada hacia donde tengamos el polo positivo de nuestro imán. Por eso, se pudo llegar a la conclusión de que los electrones tienen carga negativa.

Tubo de descarga de gases

¿Qué sucede cuando se conecta el tubo de descarga de gases a un alto voltaje?

¿De dónde parten los electrones en un tubo de rayos catódicos? ¿Hacia dónde se dirigen?

¿Es esto congruente con el hecho de que la carga del electrón es negativa?

En el vídeo, ¿Por qué los electrones atraviesan el ánodo?

¿Crees que la trayectoria de los electrones es rectilínea?

¿Qué sucede cuando los electrones chocan contra la pared del tubo opuesta al cátodo?

¿Continúan en línea recta los electrones cuando se aplica un campo eléctrico o un campo magnético en su recorrido?

De todos estos inventos, ¿cuál ha aprovechado el conocimiento obtenido mediante el tubo de rayos catódicos? Como por ejemplo, saber las cargas del protón y del electrón.

Lo aprovecha

No lo aprovecha

¿Conoces alguno más? Nómbralo aquí:

Este vídeo muestra experiencias reales con tubos de descarga de gases. Visualizalo e intenta responder a las actividades de a continuación.

Fuente: youtube.

Compara las experiencias reales que se describen en este vídeo con el modelo de la imagen. ¿Se trata del mismo experimento?

¿Porqué aparece un rayo? ¿Qué crees que está sucediendo ahí?

¿De qué partículas se trata? ¿y porqué pueden verse?

¿Porqué en uno aparece la sombra de una cruz?

¿Porqué crees que se mueve el molinillo dentro del tubo?

¿Se te ocurre alguna aplicación del conocimiento obtenido por estos experimentos?

Tubo de descarga de gases

¿Por qué crees que se forma una sombra en la pared opuesta al cátodo cuando en el interior del tubo de descarga se sitúa un objeto en forma cruz (cruz de malta)?

¿Por qué crees que giran las aspas del molinillo que se introduce en el interior del tubo de descarga? ¿Puede esto estar relacionado con el hecho de que los electrones tienen masa y se desplazan a gran velocidad?

Mira este vídeo, es un tubo de rayos canales o tubo de descarga de gases.

Las conclusiones que se deducen tras realizar las experiencias con tubos de descarga de gases que tienen el cátodo perforado son:

Los “rayos canales” que se producen en un tubo de descarga de gases que contiene hidrógeno interior son protones.

Estos viajan del ánodo al cátodo pero al estar este perforado lo atraviesan y chocan con la pared del tubo que está tras el cátodo. Esto quiere decir que estás partículas son positivas.

Después de verlo y leer las conclusiones, intenta responder a las siguientes preguntas.

Fuente: youtube.

Rellena los espacios en blanco.

construyó el conocido tubo de rayos canales.

El está perforado por varios agujeros en el tubo de rayos canales.

Este tubo de descarga contiene un número pequeño de moléculas de gas .

Pista: sólo tiene 1 protón.

¿Qué partículas emite el cátodo cuando se conectan los electrodos a un alto voltaje?

¿Qué sucede cuando los electrones chocan contra los átomos de hidrógeno?

¿Por qué atraviesan estas partículas el cátodo perforado?

¿Qué sucede cuando chocan contra la pared del tubo que está enfrente del cátodo perforado?

¿Con qué otro nombre podemos referirnos a estos átomos de hidrógeno con carga positiva? Es decir, que se les ha arrancado el electrón.

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