Electroscopio M.I. Urbano1, J.L. Rengifo2, G.A. Perdomo3. 1. Urbano Mónica Isabel. Laboratorio de electromagnetismo, universidad del Cauca, Popayán, Colombia. 2. Rengifo Jose Luis, Laboratorio de electromagnetismo, universidad del Cauca, Popayán, Colombia. 3. Perdomo Gustavo Adolfo, Laboratorio de electromagnetismo, universidad del Cauca, Popayán, Colombia.
[email protected] Laboratorio de electromagnetismo, 3 integrantes, 13/04/2009, 20/04/09.
Ingeniería en Automática Industrial, Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones, Universidad del Cauca Resumen- in this article the production (elaboration) of an electroscope is approached. For it, we bear in mind Coulomb's law and certain basic beginning of the electromagne electromagnetism. tism. This device will realize realize by means means of the employm employment ent of certain specific materials materials and certain considerations that they allow the obtaining of good results. In addition, generators of load are used to evaluate the functioning of the t he device. device. Palabras clave: campo
eléctrico, cargas, fuerza eléctrica, electroscopio, inducción, generador de Van der graaff.
INTRODUCCION En la naturaleza hallamos diferentes tipos de fuerza. Existen fuerzas relacionadas con el campo gravitacional gravit acional en las que la gravedad realiza su mayor aporte, otras que involucran el campo magnético y para este laboratorio estudiaremos sobre la fuerza eléctrica, para lo cual hablaremos de campo eléctrico. Existe una rama de la física que se relaciona con los fenómenos eléctricos y magnéticos ya que las leyes eléctricas (y magnéticas) desempeñan un gran papel en el funcionamiento de muchas cosas que nos rodean. Para comprender el campo eléctrico y sus características es necesario conocer como interactúan las cargas, cuales son algunas de sus propiedades y como se relaciona con el entorno cotidiano. La fuerza ecléctica ecléctica influye ampliam ampliamente en la naturaleza de la vida y por eso se hace necesario y de suma importancia comprender sus características y su comportamiento. ELECTROSCOPIO Las fuerzas pueden actuar a través del espacio e incluso producir un efecto cuando no hay contacto físico entre los objetos involucrados. Entre estas fuerzas encontram encontramos os la fuerza eléctrica la cual interactúa en el campo eléctrico. Existen
instrumentos de medida para determinar la presencia de cargas eléctricas como es el electroscopio. Propiedades de la carga eléctrica: 1. Existen dos tipos de carga ecléctica: carga positiva y carga negativa. Las cargas de igual signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen. Esto implica que la carga tiene un a tendencia natural a ser trasferida trasferida entre materiales diferentes. 2.
La carga eléctrica siempre se conserva. Esto significa que, cuando dos objetos inicialmente neutros son cargados al ser frotados entre si, la carga no se crea en el proceso. Los objetos se cargan debido a que la carga negativa se carga de un objeto a otro. Un objeto gana cierta cantidad de carga negativa, mientras que el otro pierde una cantidad igual de carga negativa y por lo tanto queda con carga positiva.
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Por ultimo, se dice que la carga está cuantizada, lo cual significa que la carga se presenta en la naturaleza como paquetes discretos.
Campo Eléctrico: El campo eléctrico existe en la región del espacio que rodea un objeto cargado. Cuando un objeto cargado entra a esa región, el campo es el que ejerce una fuerza sobre el segundo objeto cargado. Electroscopio: El electroscop electroscopio io es un instrumento instrumento que permite permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. Este instrumento permite detectar la presencia de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas por inducción. El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro 1
muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de metal en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Un modelo simplificado de electroscopio consiste, en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo θ que forma una esfera con la vertical, se puede calcular su carga q.
Según la ley de Coulomb: F =
q1q2 2
4p e 0 r
Donde: y como q1 = q2 y r = 2lsenq entonces
F =
q2 4p e 0 ( 2lsenq )
2
Entonces, como l se conoce y F ha sido calculado, despejando q se obtiene:
q=
F 4p e 0 (2lsenq )2
Péndulo eléctrico: Existen otros instrumentos que nos permiten determinar la presencia de cargas entre ellos está el péndulo eléctrico que consta de un soporte, un hilo delgado aislante y una esfera liviana, aislante, que puede ser plumavit o una bola de saúco.
Fig.2 Pendulo eléctrico. eléctrico. Fig. 1. Modelo simplificado del electroscopio Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso mg, mg, la tensión de la cuerda T y la fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F. En el equilibrio: Tsen q = F (1) . T cosq = mg
y
Dividiendo (1) entre (2) miembro a miembro, se obtiene:
senq cos q
=
F mg
Þ
F = mg . tan q
La esfera que pende del hilo está debidamente polarizada y esto permite que ésta experimente un gran desplazamiento cuando sobre ella actúan fuerzas electrostáticas al acercársele un objeto cargado; el objeto se ha cargado previamente por frotamiento. Generador de Van der Graaff : Al interior del casco esférico, la correa al girar, pasa a una pequeña distancia de un peine metálico conectado a la esfera. El roce del aire movido por la correa, extrae electrones del peine, produciéndose un exceso de cargas positivas en la superficie de la esfera.
Midiendo el ángulo θ se obtiene, a partir de la fórmula anterior, la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas.
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se aleja el electroscopio y se observa la separación de las laminillas para realizar su respectivo análisis.
RESULTADOS En la práctica se observan diferentes resultados:
Fig.3 Generador de Van der Graaff
Al acercar el electroscopio a un generador de Van der Graf, el cual produce un campo eléctrico, las placas se cargaron eléctricamente con el mismo signo lo cual genero una fuerza de repulsión entre ellas haciendo que se separaran una determinada distancia.
PROCEDIMIENTO Para este laboratorio se construyó un electroscopio sencillo con el fin de determinar la presencia de cargas eléctricas. Para su elaboración utilizamos los siguientes materiales: Un frasco de compota, un corcho, cartón paja, papel aluminio y un clip.
Se observa que si la bolita de aluminio tiene un mayor volumen la separación entre las placas se incrementa. Esto se debe a que el área de conducción es mayor y permite la recepción de más carga hacia el electroscopio.
Una vez conseguidos los materiales, construimos el instrumento. Primero hicimos la tapa del frasco con el cartón paja, luego hicimos un hoyo en el centro de la tapa y le introducimos un trozo de corcho (material aislante) el cual a su vez esta atravesado por una varilla metálica (clip). Posteriormente agregamos una bolita de papel aluminio en la parte superior del clip. El objetivo objetivo de la bola de alumini aluminio o es que que extienda la cantidad de superficie del conductor eléctrico y pueda recibir una mayor cantidad de carga. Luego agregamos dos laminillas, muy delgadas, de papel aluminio en la parte inferior del clip (procurando que las laminillas tuvieran tuvieran la misma misma área). Finalmente se tapa el recipiente de vidrio.
Se observa que se obtienen mejores resultados (la separación entre las laminas es mayor), si se utiliza un alambre grueso. Esto se puede comprobar comprobar haciendo el experimento primero con el clip y luego con un alambre de mayor grosor.
Fig.4 Electroscopio A continuación se enciende el generador de Van der Graaff el cual se carga electrostáticamente y se acerca la pelotita de aluminio. Se observa el comportamiento de las laminillas. laminill as. Luego se acerca acerca y
A mayor superficie de las placas, se observa una fuerza de repulsión grande en comparación de la que se presenta cuando la superficie de las placas disminuye. CONCLUCION ·
El material usado como tapa del recipiente influye en el comportamiento del sistema. Si esta no presenta baja permitividad, se observa que el sistema no funciona correctamente, puesto que afecta la trayectoria de la carga a través del cable.
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Si fijamos la respuesta del electroscopio como la separación de las placas, placas, se puede observar que se obtiene una mejor medición o una mejor respuesta si estas son simétricas.
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Al observar que la placas de aluminio se separaron se puede determinar que la carga del generador de van de graff tiene el mismo tipo de carga que las laminas de aluminio.
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El tamaño de las placas debe estar acorde con el grosor del cable; con el objetivo de que el sistema no se descompense, pues habría pérdida de carga por distribución de esta en los materiales.
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Teniendo en cuenta los resultados obtenidos, se puede apreciar que el uso de modelos físicos, junto con una correcta representación de las formulas, pueden describir el comportamiento de dichos fenómenos. BIBLIOGRAFIA
[1]. Wikipedia, la enciclopedia libre. http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio . 18 de abril de 2009. [2]. Serway, Serway, Raym Raymond ond A; Faunghn, Faunghn, Jerry s. Fisica. Editorial Thomson. Sexta edición.
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