Fenomenos Electrostaticos

´ ´ FENOMENOS ELECTROSTATICOS Carlos Carlo s Andr´es es Casta no n ˜o Urrego1 , Carlos Salamanca Clavijo2, Jos´e Guillermo Guille rmo B´ aez aez Mora3 , Gary Gar y Mej´ıa ıa Santiag Sant iago o4 1−2−3−4

Facultad de Ingenier Ingeni er´ ´ıa Mec´anica, anica,

Lab oratori orat orio o de d e F´ ısica ısi ca El´ectric ect rica a Universidad Santo Tomas, Bogot´ a D.C, COLOMBIA. [email protected];;  [email protected] [email protected]  [email protected];;  [email protected]  [email protected];; [email protected] 15 de septiembre de 2014

RESUMEN Present Presentamos amos una pr´ actica a ctica plant plantead eada a para para aprend aprender er a recono reconocer cer la presen presencia cia de cargas cargas y el tipo tipo de las mism mismas as cuancuando trabaja trabajamo moss en un labora laborato torio rio con difere diferent ntes es equipo equiposs para para recono reconocer cerlos los.. Para Para eso recurr recurrim imos os a un electr electrosc oscopi opio, o, frot frotam amos os con con un pa˜ no no distint distintos os materia materiales les posterior posteriormen mente te enuncia enunciados, dos, luego luego hicimos hicimos el mismo mismo procedimi procedimient ento o con todos y cada uno de ellos utilizando materiales conductores y semiconductores para ello, se hizo el mismo procedimiento y seg´ un un la reacci´ on del electroscopio dedujimos en que material se gener´o la misma carga y cual era m´as potente y en cual no. on PALABRAS CLAVE:

  Laboratorio, f´ısica, El´ ectrica, ectrica, Electroscopio, Electroscopio, carga, transferencia transferencia de carga, electr´on, electr´on, prot´ prot´ on, on,

neutr´ on. on.

1.

Intr Introd oduc ucci ci´ ´ on on

como pajitas pa jitas o plumas. Hoy en d´ıa ıa una persona aplica el mismo principio cuando disfruta de la levitaci´on on de El objet objetiv ivoo de esta esta pr´ pr´actica actica de laborat laboratori orioo es el peque˜nos nos pedazos de papel pap el con una regla que tambi´ tambi´en en de estudiar y reconocer experimentalmente los fen´ome- ha sido frotada. fr otada. Desde D esde hace dos siglos, sigl os, la teor t eor´´ıa discontidisc ontinos electrost´aticos aticos fundamentales por el cual utilizamos nua de la materia, que nos sugiere que la conformaci´on los procedimientos y gu´ gu´ıas del docente exponiendo exp oniendo un de la misma con part´ part´ıculas elementales denominadas an´ alisis alisis completo completo del mismo. atomos, a´tomos, a su vez constituidas por part´ part´ıculas cargadas y neutras (electrones, protones y neutrones), ha ayudado a fundamentar los fen´omenos omenos el´ectricos, ectricos , como producto produ cto 2. Marco te´ orico orico de la interacci´on on de los ´atomos atomos constitutivos de toda la materia, a trav´es es de los l os electrones. elect rones. La carga surge como co mo Desde la antig¨ uedad uedad los fen´omenos omenos el´ectricos ectrico s han una propiedad inherente inherente de la materia. materia. sido observados observados con mucho mucho inter´ es. es. Probablemente Probablemente el ejemplo m´as as citado de la observaci´on on de la electricidad Benjam´ Benjam´ın Franklin fue el que le dio los nombres a como fen´omeno omeno es el de la atracci´on on que presentaba una los tipos de cargas existentes, positiva y negativa, la barra de ´ambar ambar cuando se frotaba a peque˜nos nos objetos elecci´ on de estos nombres fue arbitraria, pero seg´un on un la 1

elecci´ on de Franklin la carga en una barra de vidrio frotado es positiva, mientras la carga en una regla de pl´ astico frotado es negativa; Franklin argument´o 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 pl´astico se frota con una toalla de papel, el pl´astico adquiere una carga negativa y la toalla adquiere una cantidad igual de carga positiva, las cargas est´an separadas, pero su suma es cero. La magnitud de una carga est´a ligada a la existencia de las part´ıculas subat´omicas cargadas. La carga de un prot´on se designa como (e) y la del electr´on (-e). e se considera la unidad fundamental de la carga, y tiene un equivalente en el SI de unidades. −19

e  = 1, 602177 × 10

C 

s´ olo podr´a desplazarse carga negativa, mientras que sistemas en fase l´ıquida (acuosa) o gaseosa ambas cargas pueden tener un flujo. Los electrones en un s´olido se podr´ an mover de acuerdo con la naturaleza aislante o conductora del material. La gran mayor´ıa de los metales son altamente conductores, debido a los espacios vac´ıos que se encuentran en los niveles transicionales de energ´ıa por los cuales los electrones pueden circular; en un material aislante estos espacios no existen. Elementos dise˜ nados espec´ıficamente para confirmar la presencia de carga en un cuerpo son dise˜nados en concordancia con los conceptos de conductividad, ejemplos claros son los electr´oforos y electroscopios. Un electr´oforo es un instrumento que permite almacenar una carga durante mucho tiempo cuando se carga por inducci´ on. Consiste en un platillo de metal aislado por un recubrimiento. Cuando la parte recubierta del electr´ oforo entra en contacto con una superficie cargada, permite que el platillo se polarice. En una polarizaci´ on los electrones de un material se redistribuyen en todo el objeto debido a la atracci´on que sientan por una carga de sentido contrario (cargas con signo opuesto se atraen y con signo contrario se repelen) que no est´ a en contacto directo con el material. En los materiales s´ olidos, la polarizaci´ on se debe netamente a la libertad de algunos electrones de moverse en un material. Si el electr´oforo hace contacto con una superficie cargada positivamente, los electrones del platillo se mover´an atra´ıdos por la misma hacia el recubrimiento y la parte que no est´a recubierta quedar´a cargada positivamente debido al defecto de electrones que sufrir´a . La conexi´ on de esta parte a tierra por otro lado har´a que sus cargas positivas atraigan electrones de la tierra y queden neutralizadas, por lo que el electr´oforo adquiere una carga neta negativa en este caso. El contacto de la superficie no recubierta del electr´oforo con la tierra termina de cargar el electr´oforo pero por conducci´on o transferencia de carga. 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 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, est´as se repeler´an.

(1)

En un fen´omeno en el cual la materia queda parcialmente cargada, ligado la interacci´on entre dos materiales con diferente electronegatividad, la carga tiene un flujo. Pero en ning´ un proceso se puede crear o disipar una carga neta, la carga total del universo siempre es constante. Cuando frotamos pl´astico con piel, los electrones migran hacia el pl´astico d´andole una carga parcial negativa, pero dicha carga parcial tiene igual magnitud en la piel con signo contrario. Ahora vemos qu´e dice la ley de la conservaci´on de la carga el´ectrica la cantidad neta de carga el´ectrica producida en cualquier proceso es cero, aunque tambi´en se podr´ıa decir ninguna carga el´ectrica neta se puede crear o destruir. Se dice que la electricidad se origina dentro del ´atomo mismo, se define al ´atomo como un n´ucleo 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 el´ectrica en magnitud, ya que sus signos son opuestos, mientras los neutrones contienen igual n´ umero de electrones y neutrones; hay ocasiones en las que los ´atomos pueden perder o ganar electrones, por lo que tendr´a carga neta positiva o negativa, a estos ´atomos se les llama iones. Los fen´omenos 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 qu´ımica del material, en un s´olido 2

3.

MATERIALES

v de Veces experimentadas 1 2 3 4 5 Prom.

Cantidad de Papel Aderido a la regla

◦

tabla 1:  Datos

1 2 3 1 1 1,6

obtenidos en la pr´actica de laboratorio

2. El fen´omeno lo podemos explicar de la siguiente manera: se carga con electricidad est´atica, producida por las cargas el´ectricas que se transmiten del material a la regla. Estas a su vez generan un campo electromagn´etico que atrae las part´ıculas de papel.

Regla Bola de Poliestireno Expandido Barra de Vidrio

3* Elemento

Tiras de Papel Aluminio

SI Regla Barra de Vidroi Bomba

Bolitas de Poliestireno Expandido Electroscopio

4.

2* Inducci´ on

tabla 2:  Datos

Procedimiento Experimental Analisis Resultados

X

2* Contacto

Poliestireno Expandi

Inducci´ on NO SI NO X

NO X

SI X

X

X

X

X

X

X

X

obtenidos en la pr´actica de laboratorio

3. An´ alisis de la Regla Carga por inducci´ on el electroscopio.

1. Tiras de Papel con regla, previamente cargada.

No se not´o ning´ un movimiento en el electroscopio. Carga por contacto el electroscopio. En esta imagen vemos como se adhiere una de las tiras de papel a la regla. En el experimento pudimos observar que despu´es de frotar el pa˜ no con la regla y al realizar la prueba por contacto vemos que las tiras de papel se adhieren a la regla pero en poca cantidad. 3

Con SI

Se not´o un cambio m´ınimo respecto a la posici´on inicial del electroscopio. Carga del electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por inducci´ on.

Carga por contacto el electroscopio.

No se not´o ning´ un movimiento en el electroscopio. Cargar el electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por contacto.

Cargar el electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por inducci´on.

No se not´o ning´ un movimiento en el electroscopio. Cargar el electroscopio cubierto con Aluminio por inducci´ on.

Cargar el electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por contacto.

No se not´o ning´ un movimiento en el electroscopio. Cargar el electroscopio cubierto con Aluminio por contacto.

Cargar el electroscopio cubierto con Aluminio por inducci´ on.

No se not´o ning´ un movimiento en el electroscopio. Cargar por inducci´ on el electroscopio. 4

Cargar el electroscopio cubierto con Aluminio por contacto. Cargar el electroscopio cubierto con Aluminio por contacto

Cargar por inducci´ on el electroscopio. Vemos que no hubo necesidad de comparar fotograf´ıas debido a que su alcance m´aximo fue instant´aneo y con esto se ratifica el ejercicio donde era por inducci´on. ´ ANALISIS DE BOLITAS DE POLIESTIRENO EXPANDIDO

N

◦

Carga por contacto el electroscopio.

  1 2 3 4 5

Bolitas Adheridas

Prom.

5. Cargar el electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por inducci´ on

5 6 3 2 4 4

Conclusiones La regla, que en este caso fue de pl´astico, no es un buen conductor de energ´ıa electrost´atica, esta se nota claramente en las pruebas de los bolitas de Poliestireno Expandido y las tiras de hojas. El globo fue el que mayor movimiento del Electroscopio gener´o, el cual indica que el material del que este hecho el globo es un buen conductor de energ´ıa electroest´atica.

Cargar el electroscopio cubierto con Poliestireno Expandido por contacto.

En los distintos experimentos donde utilizamos la bola de Poliestireno Expandido, la l´ amina del 5

Electroscopio no se eleve a su m´aximo punto y concluimos que el Poliestireno Expandido no es un buen conductor de energ´ıa electroest´atica. Al utilizar el aluminio con el electroscopio, observamos excelentes resultados, es decir, que la l´amina del electroscopio llega a su punto m´aximo y se concluy´ o que el alumiuio fue el mejor conductor de los utilizados en la pr´actica.

6.

Referencias

1.   Bibliograf´ıa 2. Jackson, J.D. (1975). Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, Inc. 2. a edici´ on. ISBN 978-0471-43132-9. 3. Feynman, R. y Leighton, R.B. (1987). F´ısica Vrt. II: Electromagnetismo y maleria. Addison-Wesley Iberoamericana, cop. IEBN 0-201-06622-X. 4. G´ erasdin, Lucien (1968). Biconor. World University Library. ISBN. 5. Sears, Francis W., Zemansky, Mark W., Young, Hugh D. (2004). F´ısica Univ´ersitaria vol. 2 (Eleccritidad y Magnetismo). Editorial Pearson Educaci´ on; Madrid (Espa˜ na). ISBN 970-26-0512 6. Fisica para bachillerato general/ General High School Physics. en Google Libros 7. T. 3, T. 4. Escrito por Cesar Despretz, Librer´ıa de Rosa (Par´ıs). p´agina 251. boors.google.es

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