Polarización
26 mar, 2013
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PDFEléctrica
PRESENTACIÓN: Un material no conductor (con cargas fuertemente ligadas y que se pueden desplazar ligeramente de su posición de equilibrio) bajo la acción de un campo un campo eléctrico externo se polariza dando lugar a una carga superficial. Si el material es conductor se produce un movimiento de carga libre que genera una carga superficial y el comportamiento final frente a un campo externo es 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)
INTRODUCCIÓN: La polarización eléctrica es un campo vectorial que expresa la densidad de los momentos eléctricos dipolares (producto de la carga eléctrica por la distancia entre las cargas del dipolo) permanentes o inducidos en un material dieléctrico (mal conductor de electricidad).
Si acercamos un cuerpo cargado a un dieléctrico, cuyas moléculas están distribuidas al azar, las cargas del cuerpo harán que las moléculas se alineen, quedando el dieléctrico polarizado. A pesar de que su carga neta es nula, aparece carga negativa a un extremo y carga positiva al otro lado del dieléctrico.
OBJETIVO: Demostrar la existencia de esta distribución de cargas.
MATERIALES: lata cilíndrica, bola de porexpan, peine o regla, trapo, tijeras.
MONTAJE: Para realizar este experimento sólo es necesario un objeto rodante, un peine y un trapo con el que frotarlo para que se cargue eléctricamente.
Es posible que en el caso de la lata, debido a su peso, no ruede al aproximar el peine cargado, por lo que ésta puede cortarse para obtener un aro de menor peso que sea más fácil de mover. Además, también se puede utilizar otros medios para generar más campo eléctrico (y por tanto más fuerza) sobre la lata, como son una regla o una varilla de goma, que se pueden frotar contra la piel o el pelo. El efecto puede ser más espectacular, incluso con alta humedad en el ambiente, si empleamos un Fun Fly Stick:
EXPLICACIÓN: Al frotar dos cuerpos, se arrancan electrones de uno y pasan al otro por lo que el primero queda con carga positiva y el segundo con negativa. Si los cuerpos son malos conductores de la electricidad (plástico, lana, cabello) la carga no puede repartirse ni viajar rápidamente por el material por lo que queda localizada en el cuerpo un cierto tiempo (carga electroestática). Cuando un objeto con esta carga se acerca a otro neutro, induce en este una distribución de cargas, que es lo que se denomina polarización en el caso del material dieléctrico.
CONCEPTOS: polarización, electroestática, dipolo eléctrico, momento dipolar, material dieléctrico, campo eléctrico, carga eléctrica.
MÁS INFORMACIÓN:
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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:
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TEXTOS:
- 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.
ALUMNADO 2011-2012: Sara Regueira, Antonio Larramendi, Jonathan Blanco, Jairo Rúa
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ALUMNADO 2010-2011: Beatriz Méndez, Ana Otero
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14 responses to "Polarización"
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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.