Sin lugar a dudas la energía que mueve todo el enorme desarrollo tecnológico humano actual es la energía eléctrica. En las centrales de producción, formas diferentes de energía son transformadas en energía eléctrica que es conducida posteriormente, a través de las redes de conducción, a las fábricas manufactureras, a los centros comerciales o a los hogares, para ser finalmente transformada y aprovechada en forma de calor (calefacción, cocina, etc.) energía mecánica, lumínica, etc. Sin embargo hay otra energía eléctrica que se produce, mediante reacciones químicas, en el mismo sitio en donde va a ser utilizada, son las pilas eléctricas que funcionan gracias a la energía de sus reacciones químicas de funcionamiento.
Los experimentos de este segundo taller son una excelente herramienta para poner de manifiesto la existencia de la carga y la corriente eléctrica generada por reacciones químicas, así como de la existencia de materiales conductores y aislantes de la electricidad.
1. Fundamentos científicos
En el Taller 1 se introdujo el concepto de molécula, como la unidad de materia más pequeña. Sin embargo estas pequeñas moléculas están formadas por unidades aún más pequeñas denominadas átomos (figura 1). Así como el tipo de moléculas que podemos encontrar en la naturaleza es enorme, casi infinito, el tipo de átomos que encontramos en la naturaleza es muy limitado. Todos los tipos de átomos que podemos encontrar en la naturaleza son los que aparecen en la Tabla Periódica de los Elementos Químicos.
Figura 1. Las moléculas están formadas por agrupación de átomos. Las sustancias puras están formadas por moléculas iguales
A su vez, los átomos están formados por partículas materiales todavía más pequeñas denominadas protones, neutrones y electrones. Los protones y neutrones están en la parte central del átomo, el núcleo, mientras que los electrones están en la parte externa del átomo, la corteza, moviéndose alrededor del núcleo a velocidades enormes.
Figura 2. Los átomos están formados por neutrones y protones (núcleo) y electrones (corteza)
Carga eléctrica y electrización de la materia
Los electrones y los protones tienen carga eléctrica, una propiedad de la materia. La carga eléctrica sólo puede ser positiva (+) o negativa (-). Entre materiales con cargas del mismo signo se establecen fuerzas repulsivas (los materiales se repelen), en tanto que se establecen fuerzas atractivas entre materiales con cargas de signo contrario. Los protones son partículas con carga positiva y los electrones son partículas con carga negativa.
Hay materiales que están organizados de forma los electrones de sus átomos se pueden mover con una cierta facilidad y pueden pasar de uno átomos a otros con poco esfuerzo. Es decir que, con muy poca energía se puede establecer una corriente de electrones que se mueven de unos átomos a otros. A estos materiales se les llama conductores eléctricos, como los metales, las disoluciones salinas de agua, etc. Por el contrario, hay otros materiales en donde este flujo de electrones es muy difícil que se produzca. Estos son los llamados aislantes eléctricos, como la madera, los plásticos que recubren los cables metálicos de conducción, etc.
Habitualmente la materia se encuentra en estado eléctricamente neutro, es decir que tiene el mismo número de protones (carga positiva) que electrones (carga negativa). No obstante, cuando algunos materiales se frotan con otros puede suceder que uno de ellos pase electrones al otro. De esta manera uno de los materiales queda con defecto de electros y por tanto cargado positivamente, mientras que el otro queda con exceso de electrones y por tanto cargado negativamente. Se dice que los materiales se han electrizado por frotamiento.
¿Cómo podemos observar este fenómeno? Por las consecuencias claramente observables que tiene, ya que entre materiales cargados con el mismo tipo de carga (sea esta positiva o negativa) se establecen fuerzas repulsivas (los materiales se repelen), mientras que entre los materiales que quedan con carga de distinto signo se establecen fuerzas atractivas (los materiales se atraen)
Por otro lado, cuando un material cargado se acerca a otro material que sea buen conductor, los electrones de éste último, que tienen alta movilidad, reaccionan a la presencia de la carga del otro material y se acercan a él, es decir se acercan a su superficie, si la carga es positiva, o se alejan de la superficie, si la carga es negativa. La consecuencia es que hay una distribución de cargas no homogénea en el conductor. Se dice entonces que el material se ha polarizado por inducción.
Figura 3. Una prenda de lana y un globo están hechos con materiales eléctricamente neutros (A). Después de frotar el globo y la prenda de lana, los dos materiales se electrizan por frotamiento (B). Si el globo eléctricamente cargado se acerca a un material conductor, este se electriza por inducción (C)
Corriente y circuito eléctrico
Al flujo de electrones a través de un material se le denomina corriente eléctrica. Denominamos circuito eléctrico a la trayectoria cerrada que recorre la corriente eléctrica y a los elementos que la componen (figura 4A). Los circuitos eléctricos se representan mediante esquemas como el de la figura 4B
El circuito eléctrico más simple está formado por:
- Generador de corriente. La fuente inicial del flujo de electrones. Puede ser una pila o una batería y su fundamento se describirá más adelante. Estos generadores tienen dos terminales, uno por el que los electrones salen del generador (el polo negativo) y otro por el que entran (el polo positivo). Los electrones siempre se mueven en el mismo sentido, del polo negativo al positivo.
- Conductores. Los cables del circuito, generalmente formado por hilos de cobre u otro material buen conductor, que permiten el flujo de electrones a su través (los transportan)
- Interruptor. Elemento de control que permite el paso o no de la corriente eléctrica
- Receptor: los elementos que transforman la energía que reciben con la corriente eléctrica y la transforman en otro tipo de energía. Por ejemplo, los motores transforman la energía eléctrica en energía mecánica, las bombillas la transforman en energía lumínica, los timbres la transforman en energía sonora, etc.44
Figura 4. Partes de un circuito eléctrico simple (A). Esquema de un circuito eléctrico (B). En el esquema la rayita más larga del generador representa el polo positivo
Reacción química y energía química
Una reacción química es un proceso de transformación de la materia. Mediante este proceso la materia inicial (reactivo) se transforma en otra diferente (producto).
Hay muchas reacciones químicas que producen energía que puede ser aprovechada para la realización de trabajo. Un ejemplo de ellas son las reacciones de combustión. Concretamente, en la reacciones de combustión de los hidrocarburos (gas propano, gas butano, gasolina, gasoil, gas ciudad, gas natural, etc.) éstos reaccionan con el oxígeno del aire, produciendo dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) y unas cantidades muy importantes de energía que, en forma de calor, se utiliza para calentar agua que al pasa al estado de vapor puede presionar sobre las palas de una turbina, haciéndola girar y produciendo electricidad en las centrales termoeléctricas.
Hay otras reacciones químicas en las que hay un intercambio de electrones entre las moléculas de los reactivos. Estas reacciones son las llamadas reacciones de oxidación-reducción o simplemente reacciones redox. Algunas reacciones redox pueden manipularse para que los electrones intercambiados entre los reactivos puedan fluir por un material, generando así una corriente eléctrica.
Pilas y Baterías eléctricas
Los generadores de los que hemos hablado antes (pilas y baterías) funcionan mediante una de estas últimas reacciones químicas. En consecuencia, para el funcionamiento correcto de una pila se necesitan dos reactivos, uno de ellos perderá electrones, polo del que salen los electrones para recorrer el circuito (polo negativo) mientras que el otro ganará electrones, es el polo por donde entran los electrones (polo positivo). En una pila los componentes del polo positivo y el negativo se separan físicamente. Cuando los dos componentes se ponen en contacto, se dice que se cierra el circuito y comienza a producirse la reacción química que impulsa el flujo de electrones a través del conductor.
En la figura 5 se presenta un sencillo esquema del funcionamiento de una pila Daniell. La pila Daniell no se utiliza como pila comercial, pero es un ejemplo muy didáctico que sirve para ilustrar sobre el funcionamiento de este tipo de fuentes de energía.
Figura 5. Esquema de la pila Daniell, de su reacción de funcionamiento y del flujo de electrones
La reacción química que permite el funcionamiento de esta pila es la que sucede entre el sulfato de cobre y en cinc metálico en disolución acuosa. Mediante esta reacción, el catión cobre en disolución toma dos electrones del cinc metálico y pasa a cobre metálico, a la vez que el cinc pasa a catión cinc que se incorpora a la disolución formando sulfato de cinc. Hay, por tanto electrones que pasan del cinc metálico al catión cobre. A partir de esta reacción se construye el dispositivo dela figura 4
En un compartimento se coloca disolución de sulfato de cinc (Zn2+, SO42-) y una barra de cinc metálico (Zn). En otro compartimento se coloca una disolución de sulfato de cobre (Cu2+, SO42-) y cobre metálico (Cu). A cada uno de estos compartimentos le llamamos electrodo. Si unimos los dos extremos metálicos con un hilo conductor (generalmente de cobre) habremos conectado (unido) los dos compartimentos para que ocurra la reacción química. Todo el sistema se completa con el acoplamiento de un puente salino, un pequeño tubo en u que contiene un disolución sobresaturada de una sal inerte (que no reacciona) y que permite el equilibrado de cargas entre los dos electrodos. Así se cierra el circuito. Si en la unión entre dos electrodos se coloca detector (tester), podremos observar el paso de corriente eléctrica.
Los electrones salen del Zn (polo negativo) se trasladan por el elemento conductor hasta llegar a la barra de cobre (polo positivo), donde un ion positivo de la disolución toma estos electrones para formar cobre metálico. La carga negativa perdida en el compartimento del cinc es compensada por la incorporación de iones cloruro (Cl–) y la pérdida de iones positivos del compartimento del cobre se compensa con la incorporación de cationes potasio (K+)
Voltaje, Intensidad y Resistencia eléctrica
Aunque las magnitudes Voltaje, Intensidad y Resistencia eléctrica no se recogen en el currículum del área de Ciencias Naturales de Primaria, resulta conveniente tenerlas siempre en cuenta a la hora de diseñar los experimentos didácticos, ya que muchas de las preguntas de nuestros alumnos puede que estén relacionadas con estas magnitudes y su comportamiento
Podemos relacionar el Voltaje, también llamado diferencia de potencial eléctrico, tensión de corriente o fuerza electromotriz, con la fuerza con la que son impulsados los electrones a través del circuito. En el caso de las pilas eléctricas, el voltaje está relacionado con la tendencia a la producción de la reacción de funcionamiento. En el sistema internacional se mide el Voltios (V).
La Intensidad de corriente está relacionada con el flujo de electrones que circulan por el material. En el S.I la unidad de intensidad es el Amperio, A
Podemos hacer un símil entre la corriente eléctrica y el agua que circula por un rio. La intensidad es equivalente al caudal del rio, mientras que el voltaje está relacionado con el desnivel del terreno por el que circula el agua. Para realizar mucho trabajo hidráulico necesitamos un gran desnivel y un buen caudal. Igualmente nos ocurre en electricidad, la cantidad de trabajo eléctrico es directamente proporcional al voltaje y a la intensidad de corriente.
La resistencia eléctrica se mide en ohmios y, como su nombre indica, está relacionada con la resistencia que opone el material al paso de la corriente eléctrica. La resistencia eléctrica es una causa del calentamiento del material al paso de la corriente eléctrica.
El voltaje, la intensidad y la resistencia eléctrica pueden ser fácilmente medidas con los polímetros o multímetros digitales
2. Contenidos del Currículum de Ciencias Naturales de Primaria que se trabajan en el Taller 2.
- Estudio y clasificación de algunos materiales en función de su conductividad eléctrica
- Electrización de la materia, Atracción y repulsión de materiales con carga eléctrica
- Concepto de energía, Diferentes formas de energía, en especial de la energía química
- Funcionamiento de una pila y de sus componentes
- Construcción de un circuito eléctrico
3. Objetivos específicos que se trabajan en el Taller 2 relativos a los contenidos curriculares
Experimento 4. Carga eléctrica y electrización de materiales
- Comprobar que cuando algunos materiales se frotan entre si se altera su estado y adquieren la capacidad de atraerse o repelerse entre ellos, es decir adquieren carga eléctrica (electrización por frotamiento).
- Comprobar que entre un material electrizado y otro (metal) pueden aparecer fuerzas atractivas (electrización por inducción)
- Comprobar el efecto de atracción o repulsión que se ejerce entre los materiales según su tipo de carga
Experimento 5. Construcción de un circuito eléctrico. Materiales conductores y aislantes
- Construir un circuito eléctrico para conocer sus distintos componentes y su funcionamiento
- Comprobar la conductividad eléctrica de los materiales y su efecto en el funcionamiento del circuito
Experimento 6. Construcción de una pila casera
- Construir una pila casera de vinagre con metales
- Comprobar qué ocurre con el voltaje de un sistema de pilas cuando se conectan en serie
- Comprobar que, contrariamente a las bombillitas de incandescencia, las lamparitas de LED tiene polaridad
4.Seguridad y Riesgos
Todos los productos y utensilios que se utilizan en el taller son totalmente inocuos y no hay que tomar precauciones especiales.
Para su realización en el aula o en el laboratorio de ciencias con los alumnos de la etapa de primaria, siempre que recomienda que, en la medida de lo posible se utilice material de plástico, para evitar roturas y cortes. También se recomienda especial vigilancia si hay que utilizar algún material punzante, sobre todo para la construcción de circuitos y pilas. Dependiendo de la edad de los niños se recomienda que todo este trabajo de manipulación lo haga el maestro.2