Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior De Ingeniería Mecánica Y Eléctrica
Practica I: Electrostática ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Profesor: Posadas Calderón Salomón Grupo: 2CV8 Integrantes: Martínez Ortiz Brayan Montellano Nolasco Esteban Sánchez Gutiérrez Rubén Quiroz Ponce Raúl Alejandro
Objetivo
Que el alumno: -Verifique que los cuerpos son susceptibles de electrizarse -Identifique los diferentes procedimientos de electrización de los cuerpos -Compruebe la existencia de los tipos de electrización que pueden adquirir los cuerpos. -Diferencié los conductores de los aisladores -Describa los espectros de los campos eléctricos obtenidos entre electrodos de diversas geometrías. -Concluya que en la región que rodea a un cuerpo electrizado existe una fuerza de origen eléctrico que recibe el nombre de campo eléctrico
Introducción En nuestra vida diaria hemos observado destellos luminosos: cuando nos quitamos una camisa de nylon en un cuarto oscuro; al frotar los pies sobre una alfombra; en un día seco puede suceder que al tocar a otra persona se sienta una sacudida eléctrica, o al peinar el cabello seco escuchamos chasquidos, estos fenómenos son evidencia de la naturaleza eléctrica de la materia. Se puede considerar que materia es todo aquello que posee masa y que ocupa un lugar en el espacio, presentándose como sólido, líquido o gas. La materia está constituida por lo que se conoce como elementos, por ejemplo: el oxigeno, el nitrógeno, el hidrógeno, que al combinarse originan compuestos cuyas características son diferentes a las de tos elementos que los constituyen. La molécula es la parte más pequeña de un compuesto, antes de que se descomponga en sus elementos. A su vez, la parte más pequeña a la que se puede reducir un elemento, conservando sus propiedades, es el átomo. Si se divide el átomo, éste deja de existir y aparecen unas partículas subatómicas, las cuales tienen una característica muy importante: aparecen en todos los átomos de todos los elementos, Estas partículas son los electrones, protones y neutrones, por eso se dice que todos los cuerpos (materia) constituidos por estas partículas. En el centro del átomo o núcleo se encuentran los protones y neutrones, los electrones gravitan en tomo de ese núcleo. Se sabe que la carga eléctrica de los protones es positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen electricidad negativa. Como los protones y neutrones se encuentran en el núcleo, este se encuentra electrizado, (cargado), positivamente. En todas las operaciones ordinarias de la física y la química, los núcleos de los átomos no son atorados, conservando íntegramente su carga, sin embargo, bajo diversas influencias, el átomo puede ganar o perder electrones, se efectúa en la última órbita del átomo, conocida como de valencia, y los electrones que se encuentran en dicha órbita reciben el nombre de electrones de valencia. De manera natural los átomos son eléctricamente neutros ya que la carga negativa representa el conjunto de electrones y es igual al valor absoluto de la carga positiva en el núcleo. Es debido a esta propiedad de neutralizarse mutuamente, lo que justifica los signos (+), (-) atribuidos a las dos formas da electricidad. Si un cuerpo pierde electrones, la carga positiva global de los núcleos de todos los átomos, no están neutralizados por la carga negativa global de tos electrón» restantes y el cuerpo se electriza positivamente. Si se proporcionan electrones el cuerpo se electriza negativamente.
Caracterizamos el estado de electrización de un cuerpo, definido por una masa, por la carga eléctrica representada por la letra ). Así, cualquier porción de materia, o cualquier partícula, está caracterizada por dos propiedades fundamentales independientes que son: la masa y la carga; por lo que toda electrización aparece como una transferencia de electrones. Un péndulo eléctrico, cargado, se inclina cuando se aproxima a la región que rodea a uno o más cuerpos electrizados. La inclinación del péndulo se invierte si se cambia el signo de su carga, con lo que se prueba que la carga eléctrica, prácticamente puntual, del péndulo, sufre la acción de una fuerza electrostática F, cuyo sentido está ligado al signo de la carga. A la región del espacio que rodea a un cuerpo o partícula cargada de electricidad donde se perciben las fuerzas de atracción o repulsión que se producen sobre oíros cuerpos cargados de electricidad se le llama Campo Eléctrico. La existencia del campo eléctrico se debe a que la región del espacio que rodea a un cuerpo electrizado se modifica, de alguna manera, por la presencia de la carga en dicho cuerpo. Al campo eléctrico se le asocia, en cada uno de sus puntos, una propiedad vectorial llamada Intensidad del campo, que es la que permite producir una fuerza sobre cualquier carga eléctrica. Para definir operacionalmente la intensidad del campo eléctrico colocamos un pequeño cuerpo de prueba que tenga una carga q, supuestamente positiva, en el punto del espacio que se ha de examinar y medimos la fuerza eléctrica F, (si existe), que actué sobre el cuerpo. La intensidad del campo eléctrico E en el punto se define como:
.......... (1) En la ecuación (1) es necesario que el campo de la carga de prueba no altere sensiblemente el campo de las cargas en estudio, esto implica que q0 → 0 con lo que es posible establecer una definición más rigurosa que es:
[ ⁄ ]
El campo eléctrico alrededor de un cuerpo cargado puede describirse no sólo por una magnitud vectorial: la intensidad del campo eléctrico E; sino también por una cantidad escalar. El potencial eléctrico V, o sea que cada uno de los puntos de un campo eléctrico, se le atribuye una propiedad escalar llamada potencial eléctrico y que cumple con la siguiente ecuación:
∫
Por lo antes expuesto, hay dos formas diferentes de representar gráficamente un campo electrostático: a)Por un conjunto de líneas (líneas de fuerza) que indican en punto la dirección de la intensidad del campo eléctrico. b)Por un conjunto de superficies (superficies equipotenciales) que indican en cada punto el potencial eléctrico. Las líneas de fuerza son líneas imaginarias que corresponden a la trayectoria que seguirían pequeños cuerpos de electricidad positiva qjue se movieran libremente en el campo que se trate. La relación entre las líneas de fuerza y el vector intensidad del campo eléctrico es la siguiente: 1. La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera nos indica la dirección de E en punto. 2. Las líneas de fuerza se dibujan de modo que el número de líneas por unidad de área de sección transversal sea proporcional a la magnitud de E. A la representación gráfica de las líneas de fuerza de un campo eléctrico se le designa con el nombre de Espectro del Campo Eléctrico. Finalmente cabe recalcar, en esta introducción, la importancia del conocimiento de los conceptos de carga, electrización y campo eléctrico, ya que son de mucha utilidad en la Ingeniería Eléctrica y Electrónica, por ejemplo: en el tubo de rayos catódicos, en filtros electrostáticos, en el pararrayos, en la protección de circuitos integrados, etc.
Material 1 Juego de accesorios de la cuba electrostática 1 Péndulo Eléctrico 1 Barra de vidrio 1 Electrodo de prueba 1 Paño de lana 1 Agitador 4 Cables de conexión
1 1 1 1 1 1
Generador de Van de Graaff Cuba electrostática Barra de Poliestíreno Barra de hierro Paño de nylon Soporte aislante Aceite de ricino
Desarrollo experimental I.- Electrización de un cuerpo Existen tres procedimientos por medio de los cuales los cuerpos pueden electrizarse: por frotamiento, por contacto y/o por inducción. 1.1,- Electrización por frotamiento Dispositivo: Se emplea un péndulo eléctrico, figura 1
Figura 1
Procedimiento: Realice las actividades siguientes y explique sus observaciones en cada caso: a)Frote la barra de vidrio con el paño de lana. Acérquela a algunos trocitos de papel.
b) Nuevamente frote la barra de vidrio con el paño de lana y aproxímela, sin tocar, a la esfera de saúco del péndulo eléctrico. c) Ahora frote la barra de poliestireno y aproxímela al péndulo eléctrico, sin tocar la esfera de saúco. Repita el procedimiento anterior con el electrodo de prueba plano en su parte metálica. Explique detalladamente sus observaciones. Al frotar las barras con el paño adquirían una carga, que hacía que los objetos con carga neutras fueran atraídos.
1.2.- Electrización por contacto Procedimiento.- Torne la barra de vidrio, cargada previamente por frotamiento con el paño de lana, y póngala en contacto con el electrodo de prueba plano, como se indica en la figura 2, y acérquelo a la esfera del péndulo eléctrico. Anote sus observaciones. Al tocar la barra con el electrodo esta pierde la carga adquirida al frotarla con el paño y al no contar con una carga, el péndulo no es atraído por la barra.
Repita el procedimiento anterior usando la barra de poliestireno. Descargando previamente el electrodo de prueba con los dedos.
Discusión: Explique sus observaciones Al frotar las barras con el paño quedaban cargadas eléctricamente y al juntarlas
con el electrodo se neutralizaban. ¿Por qué es necesario aislar el electrodo de prueba? Por que las cargas que absorbe las conduciría hacia nosotros por se metálico. Conclusiones: Anote las conclusiones a las que haya llegado. Al realizar la practica podemos observar las características de las cargas eléctricas y cómo actúan entre los conductores y aislantes. 1,3.- Electrización por inducción. Dispositivo: Ármelo como se indica en la figura 3
Figura 3
Frote la barra de vidrio con el paño de lana y acérquela a la barra de metal, sin tocar, observe la esfera del péndulo eléctrico. Sin dejar de observar aleje la barra de vidrio cargada. Repita el experimento anterior, pero ahora, antes de retirar la barra de vidrio cargada eléctricamente, toque con su dedo la barra de metal como se muestra en la figura 4.
Figura 4
Explique sus observaciones y, en ambos casos, anote sus conclusiones. II.- Clases de Carga Eléctrica y Fuerzas de Origen Eléctrico Procedimiento Toque con la barra de vidrio, frotada con el paño de lana, la esfera de médula de saúco del péndulo durante un corto intervalo de tiempo. Anote sus observaciones. Descargue la esfera tocándola con los dedos y repita el procedimiento anterior empleando la barra de poliestireno. Anote sus observaciones. Explique lo ocurrido, obtenga sus conclusiones. Nuevamente cargue la esfera de médula de saúco, poniéndola en contacto con la barra de vidrio, previamente frotada con el parto de lana. Explique sus observaciones. Ahora, acerque suficientemente la esfera cargada del péndulo eléctrico, sin hacer contacto, primero a la barra de vidrio cargada y después a la barra de poliestireno frotada con el paño de lana. Explique sus observaciones y señale que sucede con el espacio que rodea a un cuerpo cargado.
Anote sus conclusiones.
III.- Conductores y Aisladores Dispositivo.- Arme el dispositivo que se muestra en la figura 5
Figura 5
Procedimiento: Toque el extremo A de la barra de poliestireno con la barra de vidrio cargada, previamente, por frotamiento con el paño de lana. Observe el péndulo eléctrico. Descargue la barra de vidrio y colóquela en e! soporte aislante, en lugar de la barra de poliestireno y cargue esta última repitiendo el experimento. Explique sus observaciones. Anote sus conclusiones. IV.- Espectros del Campo Eléctrico. Dispositivo.- Vierta el aceite de ricino en la cuba electrostática, hasta tener una capa de 4 mm de profundidad. Espolvoreé un poco de aserrín e ínstale una lenteja y el arillo grande (figura 6), en los porta electrodos da la cuba y éstos a su vez conéctelos a tierra y a la esfera del generador de Van de Graaff, respectivamente.
Figura 6
Precaución: No tocar simultáneamente ambos electrodos cuando el generador esté funcionando.
Procedimiento: Ponga a funcionar el generador y observe lo que sucede con el aserrín. Realice un dibujo del espectro observado. Realizado lo anterior desconecte el generador, pero antes descárguelo tocando la esfera con un alambre, conectado previamente a tierra, y remueva por medio del agitador e! aceite de ricino con el aserrín e invierta las conexiones en los portaelectrodos, de tal manera que la lenteja esté conectada a la esfera del
generador y póngalo a funcionar. Explique su observación y dibuje el espectro formado. Cambie los electrodos (lenteja y arillo), por otro par, de modo que se observe el campo formado por: a)Dos cargas puntuales de diferente signo. b)Dos cargas puntuales del mismo signo.* 'Para que se observe mejor el espectro de campo, instale en un portaelectrodo el arillo grande, conectado a tierra, y dos cargas puntuarles a la esfera del generador c)Dos placas paralelas cargadas de diferente signo que simulen un condensador de placas paralelas. d)Dos arillos circulares cargados con diferente carga, de tal manera que simulen un condensador de placas cilíndricas. e)Un cuerpo con punta y una placa cargada con signo contrario. Dibuje los espectros de los campos obtenidos para cada uno de los incisos anteriores y explique sus observaciones, en cada caso.
Indique el procedimiento a seguir para conocer el tipo de carga que proporciona la esfera de Van de Graaff y diga que tipo es. Conclusiones Obtenga sus conclusiones y anótelas.
A través de los campos eléctricos podemos observar su dirección observando las líneas de flujo y podemos darnos una idea de cómo se afectan entre ellas. Cuestionario. 1. ¿Qué es la carga eléctrica? R.- La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. 2. ¿Cuántas clases de carga identificó en este experimento? R.- Dos negativa y positiva. 3. ¿Cómo se comportan las cargas eléctricas entre sí? R.- Cuando las cargas son de igual signo se repelen, es decir, se genera una fuerza entre ellas que no permite que se junten, cuando las cargas son diferentes estas se atraen intentando juntarse. 4. ¿Qué interpretación se da al principio de la conservación de la carga eléctrica, cuando se carga la barra de vidrio por frotamiento con el paño de lana? R.- El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. La barra de vidrio al ser un elemento aislado conserva la energía por lo cual atrae el péndulo en el experimento. 5. ¿Cómo se podría usar una barra, cargada negativamente, para cargar, por inducción, dos barras metálicas, de manera que una quede con carga positiva y otra con carga negativa? R.-juntando las barras metálicas una con otra y a una de ellas acercar le la carga negativa. Al hacer esto la carga positiva será atraída a una de las barras en este caso la carga positiva será la de la barra en contacto con la carga negativa ya que las cargas del mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. 6. ¿Cuál es la diferencia entre un conductor y un aislador? R.- Un conductor eléctrico es un material que ofrece poca resistencia al movimiento descarga eléctrica. Y el aislante hace referencia a cualquier material que impide la transmisión de la energía en cualquiera de sus formas: con masa que impide el transporte de energía en este caso eléctrica. 7. ¿Cómo afecta el medio ambiente a estos experimentos? R.- el ambiente seco afecta la conductividad ya que no proporciona un buen ambiente para conducir, en cambio los ambientes húmedos facilitan la conducción ya q el agua es un buen conductor. 8. ¿Cómo se descubrió que la carga eléctrica estaba cuantizada? R.- Las investigaciones actuales de la física apuntan a que la carga eléctrica es una propiedad cuantizada. La unidad más elemental de carga se encontró que es la carga que tiene el electrón, es decir alrededor de 1,602 176 487(40) × 10-19culombios y es conocida como carga elemental. El valor de la carga eléctrica de un cuerpo, representada como q o Q, se mide según el número de
electrones que posea en exceso o en defecto. 9. Explique la Ley de Coulomb. R.- La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario. 10.Defina los siguientes términos: a) Campo: es una magnitud (o vector) que depende de la posición en el espacio. Campo físico representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica. b) Polarización: es el proceso por el cual en un conjunto originariamente indiferenciado se establecen características o rasgos distintivos que determinan la aparición en él de dos o más zonas mutuamente cargadas
c) Dipolo: es un sistema de dos cargas de signo opuesto e igual magnitud cercanas entre sí. Los dipolos aparecen en cuerpos aislantes dieléctricos. A diferencia de lo que ocurre en los materiales conductores, en los aislantes los electrones no son libres. d) Ionización: La ionización es el fenómeno químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. e) Carga puntual: es una carga eléctrica hipotética, de magnitud finita, contenida en un punto geométrico carente de toda dimensión, en otras palabras una carga puntual consiste en dos cuerpos con carga que son muy pequeños en comparación con la distancia que los separa. Esta suposición resulta muy práctica al resolver problemas deelectrostática, pues los efectos derivados de una distribución de cargas en un espacio finito se anulan y el problema se simplifica enormemente. f) Gradiente de potencial: El gradiente de potencial es la relación que da el valor de un campo eléctrico en cualquier punto del aislamiento, en función de la posición de este punto. 11.¿Por qué las líneas de fuerza nunca se cruzan? R.- Nunca se cruzan dos líneas de campo, porque el campo eléctrico tiene magnitud y dirección definidas en cualquier punto en el espacio. Si se cruzaran dos o más líneas de campo en algún punto, entonces la dirección del campo eléctrico en ese punto sería ambigua. 12. Obtenga el valor de E, entre las placas de un condensador, a partir de la Ley de Gauss, 13.¿Qué es una superficie equipotencial? R.- Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos de un campo escalar en los cuales el "potencial de campo" o valor numérico de la
función que representa el campo, es constante. 14.Dos cargas, de magnitud y signos desconocidos, están separados una distancia d, la intensidad del campo eléctrico es cero en un punto situado entre ellas, en la línea que las une. ¿Qué se puede decir respecto a las cargas? R.15.Explique la Ley de Gauss R.- establece que el flujo de ciertos campos a través de una superficie cerrada es proporcional a la magnitud de las fuentes de dicho campo que hay en el interior de dicha superficie. Dichos campos son aquellos cuya intensidad decrece como la distancia a la fuente al cuadrado. La constante de proporcionalidad depende del sistema de unidades empleado.
