Cargar por frotamiento
Lo que vas a aprender
- Explicar que al frotar dos materiales pasan electrones de uno al otro, y que los dos quedan con cargas del mismo tamaño y de signo contrario.
- Decir qué carga queda en el vidrio frotado con seda y en el plástico frotado con un paño de lana, y en el material con que se frotó cada uno.
- Usar la conservación de la carga para hallar la carga de un cuerpo a partir de la del otro, o el número de electrones que pasó.
Para qué
¿Para qué sirve esto?
Te quitas una camiseta por la cabeza en un día seco y el pelo se te queda parado. Frotas un globo contra un saco y el globo se pega a la pared. Pasas una peinilla por el pelo y levanta papelitos. ¿Qué se cargó en cada caso: la camiseta o el pelo, el globo o el saco, la peinilla o el pelo? La respuesta te va a sorprender: los dos.
En esta lección vas a ver qué pasa con los electrones cuando frotas dos materiales, por qué los dos quedan cargados y cómo una sola regla, la conservación de la carga, te deja calcular la carga de uno si conoces la del otro.
Antes de empezar recuerda la lección anterior: la carga neta de un cuerpo es protones menos electrones, y lo único que se mueve de un cuerpo a otro son los electrones.
Explicación
Frotar es tocarse muchas veces
Cuando frotas dos materiales distintos, sus superficies se tocan en muchísimos puntos, una y otra vez. En cada punto de contacto, algunos electrones de la parte de afuera de los átomos de un material pasan al otro. La razón es que no todos los materiales sujetan sus electrones con la misma fuerza: el que los sujeta con más fuerza se queda con algunos electrones del otro.
Los protones no participan: están amarrados en los núcleos y no se mueven al frotar.
Los dos quedan cargados
Imagina que pasan unos cuantos electrones del material A al material B, y que los dos eran neutros antes de frotar.
- A perdió electrones: le faltan, así que queda con carga positiva.
- B ganó esos mismos electrones: le sobran, así que queda con carga negativa.
Como los electrones que perdió A son exactamente los que ganó B, las dos cargas tienen el mismo tamaño y signo contrario. Si A queda con una carga neta positiva de cinco, B queda con una negativa de cinco. Por eso decimos que al frotar siempre se cargan los dos, aunque a veces solo nos fijemos en uno.
La carga se conserva
Al frotar no se fabrica carga: solo se cambia de sitio. Antes de frotar, la suma de las cargas netas de los dos cuerpos es cero, porque los dos son neutros. Después, uno tiene carga positiva y el otro negativa, del mismo tamaño, y la suma sigue siendo cero. Esta es la conservación de la carga:
$$\text{carga total antes} = \text{carga total después}$$
Esta regla sirve para revisar cualquier cuenta. Si alguien dice que frotó dos cuerpos neutros y que uno quedó con una carga negativa de ocho y el otro con una positiva de cuatro, algo está mal: esas cargas no suman cero.
Dos parejas clásicas
Hay dos parejas de materiales que se frotan en casi todos los laboratorios escolares. Lo que pasa con ellas es el resultado que traen los manuales:
- Vidrio frotado con seda. El vidrio pierde electrones y queda positivo; la seda los gana y queda negativa.
- Plástico frotado con un paño de lana. El plástico gana electrones y queda negativo; el paño los pierde y queda positivo.
Fíjate en que no hay un material que «siempre gane». Quién se queda con los electrones depende de la pareja: un material puede ganar electrones frotado con uno y perderlos frotado con otro. Por eso, en los ejercicios te diremos qué pasó con uno de los dos, y lo del otro lo sacas de la conservación.
La carga se queda donde frotaste
El vidrio, el plástico, la seda y el paño son aislantes: los electrones no viajan por ellos. La carga se queda en la zona que frotaste y no se reparte por el resto de la barra. En la próxima lección verás qué pasa con los materiales por los que los electrones sí viajan.
En el salón
Para cargar por frotamiento basta con globos, peinillas de plástico, reglas, pedazos de tela y papelitos. Los materiales tienen que estar secos. Nunca se juega con enchufes ni con aparatos conectados: la electricidad de la casa es peligrosa y no tiene nada que ver con estos experimentos.
Antes de frotar, la barra de vidrio y la seda son neutras. Al frotarlas pasan electrones del vidrio a la seda: el vidrio queda positivo y la seda negativa, con cargas del mismo tamaño. Los protones (+) no se movieron.
Ejemplo resuelto
Vidrio y seda
Una barra de vidrio modelo tiene 30 protones y 30 electrones, y un pedazo de seda modelo tiene 28 protones y 28 electrones. Al frotarlos pasan 4 electrones del vidrio a la seda. ¿Con qué carga neta queda cada uno?
Ver la solución paso a paso
El vidrio perdió 4 electrones. Le quedan:
$$30 - 4$$
Es decir:
$$26$$
Su carga neta es protones menos electrones; los protones no cambiaron:
$$30 - 26$$
Que da:
$$4$$
La seda ganó esos mismos 4 electrones. Ahora tiene:
$$28 + 4$$
Es decir:
$$32$$
Su carga neta:
$$28 - 32$$
Que da:
$$-4$$
Revisamos la conservación: antes, la suma de las cargas era cero; después también.
$$4 + \left(-4\right) = 0$$
Respuesta: El vidrio queda con +4 y la seda con −4: el mismo tamaño, signo contrario, y la suma sigue en 0.
Ejemplo resuelto
Plástico y paño
Frotas una barra de plástico modelo neutra con un paño neutro y la barra queda con carga neta −6. ¿Cuántos electrones pasaron, en qué sentido, y con qué carga queda el paño?
Ver la solución paso a paso
Antes de frotar, la carga neta de la barra era cero. Cada electrón que gana la baja en uno. Si $n$ es el número de electrones que ganó:
$$0 - n = -6$$
Despejamos $n$:
$$n = 6$$
La barra quedó negativa, así que los electrones llegaron a ella: pasaron del paño a la barra. El paño perdió esos 6 electrones, y su carga neta, que era cero, sube en 6:
$$0 + 6$$
Que da:
$$6$$
La conservación se cumple:
$$-6 + 6 = 0$$
Respuesta: Pasaron 6 electrones del paño a la barra; el paño queda con carga neta +6.
Ejemplo resuelto
Frotar dos veces
Frotas un globo modelo neutro con un paño neutro. En la primera frotada pasan 3 electrones del paño al globo, y en la segunda pasan 2 más. ¿Con qué carga queda cada uno al final?
Ver la solución paso a paso
Cada frotada le da electrones al globo y baja su carga neta. Sumamos las dos bajadas:
$$-3 + \left(-2\right)$$
Que da:
$$-5$$
El paño perdió los mismos electrones en las dos frotadas, así que su carga sube:
$$3 + 2$$
Que da:
$$5$$
Y la suma de las dos cargas sigue en cero:
$$-5 + 5 = 0$$
Respuesta: El globo queda con −5 y el paño con +5.
Práctica
Frotas una barra de plástico modelo neutra con un paño neutro y la barra gana 7 electrones. ¿Cuál es la carga neta del paño?
El paño perdió los 7 electrones que ganó la barra, así que le faltan 7: su carga neta es +7. La barra queda con −7, y la suma es cero.
Frotas una barra de vidrio neutra con seda neutra, como en la pareja clásica, y el vidrio queda con carga neta +5. ¿Con qué carga neta queda la seda?
Los electrones que perdió el vidrio los ganó la seda, así que la seda queda con −5. No puede quedar neutra ni positiva: la suma de las dos cargas tiene que seguir en cero.
Después de frotar un globo neutro con un paño neutro, un compañero anota que el globo quedó con −8 y el paño con +4. ¿Verdadero o falso? Esas cargas cumplen la conservación de la carga.
−8 + 4 = −4, no cero. Si el globo ganó 8 electrones, el paño perdió 8, y su carga es +8.
Un pedazo de seda modelo neutro tiene 20 protones. Al frotarlo con vidrio gana 3 electrones. ¿Cuántos electrones tiene ahora?
Como era neutra, tenía 20 electrones; con los 3 que ganó tiene 23. Su carga neta es 20 − 23 = −3.
Una peinilla modelo neutra tiene 40 protones. Después de frotarla con un paño tiene 46 electrones. ¿Cuántos electrones ganó?
Neutra, tenía 40 electrones; ahora tiene 46, así que ganó 46 − 40 = 6. Su carga neta es −6, y el paño quedó con +6.
En la figura, después de frotar, la seda tiene 3 protones y 5 electrones. ¿Cuál es su carga neta?
3 − 5 = −2. El vidrio, que perdió esos dos electrones, tiene 3 protones y 1 electrón: carga +2.
Frotas dos cuerpos neutros. Cada opción es la suma de las dos cargas netas que alguien anotó al final. Marca todas las anotaciones que pueden ser correctas.
Marca todas las que apliquen.
La carga se conserva: si los dos eran neutros, sus cargas finales tienen que sumar cero. −3 + 3, 5 + (−5) y −6 + 6 dan 0; 4 + (−2) = 2, 2 + 2 = 4 y −7 + 1 = −6 no.
Frotas un globo modelo neutro con un paño neutro dos veces. En la primera pasan 4 electrones del paño al globo y en la segunda pasan 3 más. ¿Cuál es la carga neta del globo al final?
El globo ganó 4 + 3 = 7 electrones, así que su carga neta es −7. El paño quedó con +7.
Una barra de vidrio modelo neutra con 30 protones pierde 6 electrones al frotarla con seda. ¿Verdadero o falso? Ahora tiene 24 electrones y su carga neta es +6.
Tenía 30 electrones y perdió 6: le quedan 24. Su carga neta es 30 − 24 = +6. La seda quedó con −6.
Al frotar una barra de vidrio con seda, el vidrio queda con carga positiva. ¿Qué pasó?
Al frotar solo se mueven electrones. Si el vidrio quedó positivo es porque perdió electrones, y la seda, que los ganó, quedó negativa con una carga del mismo tamaño. El frote no fabrica carga: la cambia de sitio.
Frotas una barra de plástico con un paño de lana, como en la pareja clásica. ¿Qué carga queda en cada uno?
En esa pareja, el plástico se queda con electrones del paño: el plástico queda negativo y el paño, que los perdió, positivo. Los dos se cargan siempre, con cargas del mismo tamaño.
Reto
Abre el candado del frotamiento.
Cada respuesta es una cifra del código. Recuerda que lo que gana un cuerpo lo pierde el otro.
Reto
¿Ganó o perdió electrones?
Cada número es la carga neta final de un cuerpo que era neutro antes de frotarlo. Llévalo a la canasta que dice qué le pasó.
Cierre
En resumen
Al frotar dos materiales distintos pasan electrones de uno al otro; los protones no se mueven.
El que pierde electrones queda positivo y el que los gana queda negativo, con cargas del mismo tamaño.
La carga se conserva: si dos cuerpos neutros se frotan, sus cargas finales suman cero.
En las dos parejas clásicas, el vidrio frotado con seda queda positivo y el plástico frotado con un paño de lana queda negativo; quién gana los electrones depende de la pareja de materiales.
Vocabulario
- Frotamiento
Manera de cargar dos cuerpos neutros frotándolos entre sí: pasan electrones de uno al otro.
- Conservación de la carga
La carga no se crea ni se destruye, solo pasa de un cuerpo a otro. Si dos cuerpos neutros se frotan, la suma de sus cargas sigue siendo cero.
- Aislante
Material, como el vidrio, el plástico o la seda, en el que los electrones no viajan: la carga se queda en el sitio donde se frotó.
Guía para el docente
Tiempos
- Inicio · 5 min — Frote usted una peinilla de plástico con un paño y acérquela a papelitos. Luego acerque el paño a papelitos muy pequeños y secos y pregunte si también quedó cargado. El efecto del paño suele ser débil y puede no verse: si no levanta papelitos, apóyese en la conservación, que dice que tiene la carga contraria a la de la peinilla.
- Explicación · 15 min — Paso de electrones, cargas iguales y contrarias, conservación y las dos parejas del DBA (vidrio con seda, plástico con paño de lana). Resuelva el ejemplo del vidrio y la seda con tapas de dos colores, pasando las tapas de los electrones de un cuerpo al otro.
- Práctica · 20 min — Preguntas en parejas; el candado como competencia entre grupos. Si hay tiempo, que cada grupo frote un globo con un paño seco y compruebe que el globo atrae papelitos; que prueben también con el paño, avisando que su efecto es débil y puede no verse.
- Cierre · 5 min — Cada estudiante escribe en una frase por qué la suma de las cargas de dos cuerpos frotados es cero.
Preguntas para el salón
- Si frotan un globo con un paño, ¿cuál de los dos queda cargado? ¿Cómo lo comprobarían?
- ¿Por qué no puede pasar que un cuerpo quede con −5 y el otro con +3 después de frotarlos?
- ¿Por qué creen que los materiales tienen que estar secos para que el experimento funcione?
Errores típicos
- Creer que al frotar solo se carga uno de los dos cuerpos. Pida la suma de las dos cargas antes y después de frotar: si uno quedó cargado, el otro tiene la carga contraria. Si el paño levanta papelitos muy pequeños, muéstrelo; si no, recuerde que su efecto suele ser débil y que eso no quiere decir que siga neutro.
- Creer que el vidrio queda positivo porque recibió protones de la seda. Recuerde que los protones están amarrados en los núcleos; pida que describan cada carga positiva como electrones que faltan.
- Creer que el frote fabrica carga. Use la conservación: si la suma era cero antes, es cero después; la carga solo cambió de sitio.
- Creer que un material siempre queda con el mismo signo. Aclare que depende de la pareja de materiales, y que en los ejercicios se da el resultado de uno de los dos.
Tarea sugerida
En casa, con un adulto, frotar un globo inflado con un paño de lana seco y acercar el globo y luego el paño a unos papelitos muy pequeños; anotar qué pasa. Inventar una frotada con cuerpos modelo (protones y electrones de cada uno y cuántos electrones pasan) y calcular las dos cargas finales.