Informe Nº 1 Laboratorio de Fundamentos de Electricidad y Magnetismo:
"Fenómenos Electrostáticos"
Germán Darío Martínez Carvajal (244649), Julio César Chinchilla Guarín
(223141), Diego Mauricio Ramos Remolina (244687) y Cristian Camilo Ruiz
Vásquez (244699)
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Marzo 5 de 2010
Exponemos una práctica conjunta diseñada para aprender a reconocer la
presencia de cargas y el tipo de las mismas cuando se trabaja con
diferentes materiales. Se averiguó qué tipo de carga adquiere una lámina de
plexiglás, una de acetato y dos de acetato una sobre otra al ser frotadas
por un paño. Para eso recurrimos a un electroscopio y un electróforo,
frotamos con un paño la lámina de plexiglás, colocamos el electróforo
encima, lo conectamos polo a tierra y proseguimos a acercar el electróforo
al electroscopio, la lámina de oro que posee el electroscopio se movió
hacia un lado; luego hicimos el mismo procedimiento con la lámina de
acetato, la lámina del electroscopio se mueve hacia el lado contrario que
la vez anterior; por último se frotaron dos láminas de acetato, una encima
de la otra, se hizo el mismo procedimiento y según la reacción del
electroscopio dedujimos que en ambas láminas se generó la misma carga.
Índice de Términos—Electroscopio, electróforo, carga, transferencia de
carga, electrón, protón, neutrón.
Aspectos Introductorios
D
esde la antigüedad los fenómenos eléctricos han sido observados con mucho
interés. Probablemente el ejemplo más citado de la observación de la
electricidad como fenómeno es el de la atracción que presentaba una barra
de ámbar cuando se frotaba a pequeños objetos como pajitas o plumas. Hoy en
día una persona aplica el mismo principio cuando disfruta de la levitación
de pequeños pedazos de papel con una regla que también ha sido frotada.
Desde hace dos siglos, la teoría discontinua de la materia, que nos sugiere
que la conformación de la misma con partículas elementales denominadas
átomos, a su vez constituidas por partículas cargadas y neutras
(electrones, protones y neutrones), ha ayudado a fundamentar los
fenómenos eléctricos, como producto de la interacción de los átomos
constitutivos de toda la materia, a través de los electrones. La carga
surge como una propiedad inherente de la materia.
Benjamin Franklin fue el que le dio los nombres a los tipos de cargas
existentes, positiva y negativa, la elección de estos nombres fue
arbitraria, pero según la elección de Franklin la carga en una barra de
vidrio frotado es positiva, mientras la carga en una regla de plástico
frotado es negativa; Franklin argumentó que siempre que cierta cantidad de
carga se produce en un objeto, una cantidad igual del tipo opuesto de carga
se produce en otro objeto, por ejemplo, cuando una regla de plástico se
frota con una toalla de papel, el plástico adquiere una carga negativa y la
toalla adquiere una cantidad igual de carga positiva, las cargas están
separadas, pero su suma es cero. [1]
La magnitud de una carga está ligada a la existencia de las partículas
subatómicas cargadas. La carga de un protón se designa como (e) y la del
electrón (-e). "e" se considera la unidad fundamental de la carga, y tiene
un equivalente en el SI de unidades (Figura 1).
Figura 1. Carga de un protón.
En un fenómeno en el cual la materia queda parcialmente cargada, ligado la
interacción entre dos materiales con diferente electronegatividad, la carga
tiene un flujo. Pero en ningún proceso se puede crear o disipar una carga
neta, la carga total del universo siempre es constante. Cuando frotamos
plástico con piel, los electrones migran hacia el plástico dándole una
carga parcial negativa, pero dicha carga parcial tiene igual magnitud en la
piel con signo contrario.
Ahora vemos qué dice la ley de la conservación de la carga eléctrica "la
cantidad neta de carga eléctrica producida en cualquier proceso es cero",
aunque también se podría decir "ninguna carga eléctrica neta se puede crear
o destruir".
Se dice que la electricidad se origina dentro del átomo mismo, se define al
átomo como un núcleo lleno de protones (carga positiva) y de neutrones
(carga neta igual a cero), rodeado por uno o varios electrones (carga
negativa) que debe tener la misma carga eléctrica en magnitud, ya que sus
signos son opuestos, mientras los neutrones contienen igual número de
electrones y neutrones; hay ocasiones en las que los átomos pueden perder o
ganar electrones, por lo que tendrá carga neta positiva o negativa, a estos
átomos se les llama iones.
Los fenómenos mencionados relativos al flujo de carga nos llevan a pensar
en nuevos conceptos, cuando un material permite transportar la carga o no.
Todo depende de la naturaleza química del material, en un sólido sólo podrá
desplazarse carga negativa, mientras que sistemas en fase líquida (acuosa)
o gaseosa ambas cargas pueden tener un flujo. Los electrones en un sólido
se podrán mover de acuerdo con la naturaleza aislante o conductora del
material. La gran mayoría de los metales son altamente conductores, debido
a los espacios vacíos que se encuentran en los niveles transicionales de
energía por los cuales los electrones pueden circular; en un material
aislante estos espacios no existen. Elementos diseñados específicamente
para confirmar la presencia de carga en un cuerpo son diseñados en
concordancia con los conceptos de conductividad, ejemplos claros son los
electróforos y electroscopios.
Un electróforo (Figura 2) es un instrumento que permite almacenar una
carga durante mucho tiempo cuando se carga por inducción. Consiste en un
platillo de metal aislado por un recubrimiento. Cuando la parte recubierta
del electróforo entra en contacto con una superficie cargada, permite que
el platillo se polarice. En una polarización los electrones de un material
se redistribuyen en todo el objeto debido a la atracción que sientan por
una carga de sentido contrario (cargas con signo opuesto se atraen y con
signo contrario se repelen) que no está en contacto directo con el
material. En los materiales sólidos, la polarización se debe netamente a la
libertad de algunos electrones de moverse en un material. Si el electróforo
hace contacto con una superficie cargada positivamente, los electrones del
platillo se moverán atraídos por la misma hacia el recubrimiento y la parte
que no está recubierta quedará cargada positivamente debido al defecto de
electrones que sufrirá. La conexión de esta parte a tierra por otro lado
hará que sus cargas positivas atraigan electrones de la tierra y queden
neutralizadas, por lo que el electróforo adquiere una carga neta negativa
en este caso. El contacto de la superficie no recubierta del electróforo
con la tierra termina de cargar el electróforo pero por conducción o
transferencia de carga.
Figura 2. Electróforo.
Por otro lado el electroscopio permite identificar la presencia de carga
en el cuerpo, y en un conjunto seguido de pasos determinar si dos cuerpos
tienen la misma carga o no.
Un electroscopio (Figura 3) se carga generalmente por transferencia de la
carga. Una barra de metal conduce la carga hasta dos laminillas de oro que
por obtener dicha carga, y ser del mismo signo en cada laminilla, estás se
repelerán. Si la magnitud de la carga aumenta, la fuerza de repulsión será
mayor.
Figura 3. Electroscopio.
Procedimiento Experimental
El objetivo de la práctica fue comprender el comportamiento del
electroscopio con diferentes tipos de cargas y aprender a identificarlas.
Primero contamos con los siguientes materiales:
1 electroscopio.
1 electróforo.
1 lámina de plexiglás.
2 láminas de acetato.
1 paño.
En el laboratorio se realizaron 3 procedimientos. El primero fue:
1. Frotar una lámina de plexiglás con un paño para cargarla (se espera
que la carga que adquiera sea positiva, según la información de las
guías suministradas).
2. Colocar el electróforo sobre la lámina de plexiglás, tal como se
ilustra en la Figura 4.
Figura 4. Electróforo cargándose.
3. Conectar la parte superior del disco del electróforo a tierra por un
instante, se puede observar en la Figura 5 este procedimiento.
Figura 5. Electróforo conectado a tierra.
4. Acercar el electróforo al electroscopio hasta que se vea o escuche que
salta una chispa.
5. Conectar el electróforo a tierra para descargarlo.
6. Repetir el procedimiento de carga del electróforo, pero esta vez no
con una lámina de plexiglás sino con una de acetato.
7. Acercar el electróforo al electroscopio y observar qué pasa con el
mecanismo del electroscopio (Figura 6).
Figura 6. Reacción del electroscopio.
El segundo procedimiento fue:
1. Colocar 2 hojas de acetato adyacentes.
2. Frotar la hoja superior son un paño.
3. Acercar la hoja superior al electroscopio y observar los que ocurre.
4. Acercar la hoja inferior al electroscopio y observar lo que ocurre.
El tercer y último procedimiento fue:
1. Frotar un objeto (tubo de PVC) con un paño.
2. Acercarlo al electroscopio.
3. Conectar el electroscopio a tierra y observar lo que ocurre (Figura
7).
Figura 7. Reacción del electroscopio después de estar a tierra.
Resultados y Análisis
Por lo general, gracias a las guías suministradas, se sabe que la lámina
de plexiglás queda cargada positivamente cuando se frota con un paño y con
base en esto se hará la deducción de los resultados.
En el primer procedimiento, al cargar el electróforo tanto con la lámina
de plexiglás como con la de acetato se obtuvo el mismo resultado,
observando que la lámina metálica móvil se apartaba de la lámina metálica
fija cuando se acercaba el electróforo al electroscopio, indicando que
efectivamente el electróforo adquiría carga al ponerlo en contacto con las
láminas. Hubo complicaciones al cargar el electroscopio, pues rara vez se
escuchaba la chispa, sin embargo fue posible determinar que la carga de la
lámina de acetato era negativa, porque si ésta (el electróforo cargado) se
acercaba al electroscopio cargado previamente por la lámina de plexiglás,
el ángulo formado entre las placas móvil y fija disminuía, indicando
entonces una carga de signo contrario a la que originalmente tenía el
electroscopio.
En el segundo procedimiento se encontró que al acercar una hoja de acetato
y luego la otra el ángulo del electroscopio disminuye en gran medida, esto
nos indica que están cargadas de forma contraria, es decir, una de las
hojas esta cargada negativamente y la otra positivamente, esto ocurre por
que la lámina superior se carga por contacto al ser frotada por el paño,
mientras que la inferior se carga con el signo contrario debido a que la
primera lámina hace que los electrones de esta se orienten y adquiera una
carga electrostática que ayude a mantener el equilibrio con la primera.
En el tercer procedimiento se obtuvo que el electroscopio quedaba también
cargado si se ponía en contacto con el tubo de PVC, luego de frotarlo con
el paño, ya que se observaba la aparición de un ángulo entre las placas
fija y móvil del electroscopio, este ángulo se sostenía hasta que se hacía
la conexión a tierra. Sin embargo, si el electroscopio se encontraba
conectado a tierra y se ponía en contacto con el tubo de PVC, se observaba
entonces que aparecía por un instante muy corto el ángulo entre las placas
metálicas y disminuía vertiginosamente hasta quedar completamente
paralelas, en algunos casos ni siquiera se podía observar a formación del
ángulo.
Pero a partir de estos resultados surgen varias preguntas, tales como las
mencionadas a continuación.
¿Por que un cuerpo cargado atrae un trozo de papel (neutro)?
Esto sucede por que cuando un cuerpo esta cargado electrostáticamente lo
que se produce, como se vio anteriormente, es un desequilibrio en la
superficie del mismo y la forma de disiparla es perder o ganar los
electrones que fueron movidos de dicha superficie, es decir se crea un
exceso o un defecto de electrones, esto genera un gradiente de tipo
eléctrico y hace que otras superficies orienten sus electrones y queden
parcialmente cargadas, así cuando se acerca un objeto cargado positivamente
a una hoja de papel este orienta sus electrones hacia el objeto lo que
origina una carga electrostática negativa y por ello una atracción entre
los dos objetos; Cuando la carga se origina como se ha descrito sin
importar cual sea el signo del objeto cargado, el segundo objeto siempre
optará por una carga de signo contrario, razón por la que dichos objetos
siempre se atraen.
¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método de frotamiento?
El proceso de cargar un cuerpo por rozamiento esta ampliamente limitado
por la capacidad del mismo de crear y mantener desequilibrios eléctricos,
un cuerpo metálico no puede ser cargado por frotamiento debido a la alta
conductividad que presentan este tipo de materiales gracias a sus niveles
de energía vacios por los que se mueven con libertad los electrones a
través del cuerpo, en otras palabra un metal no puede mantener una carga
electrostática debido a que en el momento en que se produzca el metal
conducirá los electrones hasta llegar el estado de equilibrio (neutro), así
si un metal es frotado se producirán pequeñas cargas electrostática debido
a la mayor afinidad de uno u otro material por los electrones, pero en
cuanto ambos cuerpos sean separados los electrones fluirán de manera rápida
desde o hacia el metal haciendo que no se pueda apreciar una carga
electrostática.
¿En que fenómenos de la vida cotidiana observamos electricidad estática?,
Si estos fenómenos son molestos ¿Cómo podrían evitarse?
Normalmente el ser humano se encuentra en presencia de un gran número de
fenómenos electrostáticos, originados principalmente por fricción, ejemplo
de ellos son las pequeñas cargas originadas por el peine al pasar por el
cabello, o por caminar en una alfombra usando zapatos de goma, también se
originan cargas electrostáticas en la mayoría de aparatos eléctricos de uso
doméstico, ejemplo de ello son las pantallas, que se cargan después de ser
usadas durante un intervalo de tiempo; todos estos son fenómenos de pequeña
magnitud que pasan casi desapercibidos pero hay otros en los que la
electricidad estática es mucho más apreciable e importante, por ejemplo
muchas fotocopiadoras e impresoras láser funcionan gracias a la
electricidad estática [4] originada por un rayo de luz sobre un tambor
fotosensible y la carga electrostática es usada para fijar el polvo de
impresión al papel, Cuando un auto viaja a alta velocidad a través de aire
seco su superficie exterior también adquiere una carga electrostática
considerable, de igual manera las tormentas eléctricas son producidas por
cargas electrostáticas en las nubes que interactúan con la tierra ionizando
el aire y produciendo una gran chispa.
Actualmente existen en el mercado pequeños dispositivos que permiten
eliminar [5] las cargas electrostáticas que constan de un pequeño conductor
que eventualmente disipa las cargas, a demás se pueden tomar otras
precauciones para evitar cargas electrostáticas, como por ejemplo no poner
en contacto superficies aislantes, humidificar el aire, o simplemente
establecer un contacto entre el objeto y la tierra.
¿Cómo influye la humedad del ambiente en la descarga del electroscopio?
El agua como molécula polar tiene la propiedad de orientarse según el
exceso o falta de electrones que se puede manifestar en una carga
electrostática, es decir, en presencia de aire húmedo una carga
electrostática se disipará mas rápidamente, debido a que los electrones
podrán moverse con mayor libertad que en un ambiente seco y las cargas
serán neutralizadas de igual forma. En un ambiente seco los electrones
tendrán una mayor dificultad para moverse a través del aire, lo que
eventualmente producirá un arco que indica flujo de electrones a través de
una trayectoria definida por las partículas ionizadas en el aire, cuando
hay agua presente en el ambiente dicho arco no se producirá, debido a que
los electrones se moverán aleatoriamente entre las partículas de agua.
Conclusiones
1. Un material con carga neutra puede adquirir o no una carga neta
positiva o negativa dependiendo del material frotado.
2. Un objeto cargado negativamente, cargará positivamente a otro si lo
hace por inducción, así un objeto cargado positivamente, lo cargará
negativamente. En general, si se carga un objeto por inducción, éste
quedará cargado con el signo contrario del objeto que lo está
cargando.
3. Partículas con el mismo signo de carga tenderán a repelerse. Se puede
observar lo anterior cuando al cargar el electroscopio aparecía un
ángulo entre las láminas estática y móvil, ya que ambas quedaban
cargadas con el mismo signo.
4. Partículas de signo contrario tenderán a atraerse. Lo anterior se
observa cuando luego de cargar al electroscopio se le acercaba un
objeto con carga de signo contrario y se observaba una disminución en
el ángulo entre las láminas.
5. La facilidad con que un cuerpo adquiere una carga electrostática
depende no sólo de sus propiedades sino también de las características
del medio ambiente.
6. La tierra funciona como un gran conductor capaz de disipar cargas muy
rápidamente sin importar si son positivas o negativas, por esta razón
se usa una conexión llamada polo a tierra.
7. El exceso o defecto de electrones en una carga electrostática está
determinado tanto por el método por el que el cuerpo adquiere la carga
como por las propiedades intrínsecas del mismo.
Bibliografía
[1] GIANCOLI, Douglas, "FÍSICA, PRINCIPIOS CON APLICACIONES", Pearson
Educación, 6ª edición, México, 2006.
[2] TIPLER, P. A., "FÍSICA PARA LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA", Electricidad y
magnetismo. Luz. Física moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.
[3] León, ". d. (s.f.). Recuperado el 2 de Marzo de 2010, de
http://www.xtec.cat/~cgarci38/ceta/historia1/maquiele.htm
[4]http://www.freewebs.com/xe3wma/electricidadestatica.html
[5] http://helektron.com/aparato-para-eliminar-la-electricidad-estatica/
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Electróforo
Lámina Plexiglas
Tierra
Tierra
Tubo PVC