FENOMENOS ELECTROSTATICOS INFORME
TRABAJO PRESENTADO A: LIC. SULLY PEÑA SEGURA
UNIVERSIDAD SANTO TOMAS DE AQUINO FACULTAD DE INGENIERIA ELCTRONICA ASIGNATURA FISICA ELECTRICA TUNJA 2008
1.1
OBJETIVOS •
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1.2
Consultar bibliografía y presentar un informe previo de los temas propuestos. Desarrollar la practica FENOMENOS ELECTROSTATICOS de acuerdo con el material, montajes y procedimiento sugerido. Elaborar la practica dentro del nivel de construcción del conocimiento correspondiente a la VALORACION. MARCO TEORICO A.
Electrización por frotamiento:
La electrización por frotamiento se obtiene cuando dos cuerpos de diferente material son frotados entre si; por ejemplo: cuando se frota una varilla de vidrio en un pedazo de seda.
El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico.
1. Frotamiento en general:
Las primeras observaciones sobre fenómenos eléctricos se realizaron ya en la antigua Grecia, cuando el filósofo Tales de Mileto (640-546 a.c.) comprobó que, al frotar barras de ámbar contra pieles curtidas, se producía en ellas caracter ísticas de atracción que antes no poseían. Es el mismo experimento que ahora se puede hacer frotando una barra de plástico con un paño; acercándola luego a pequeños pedazos de papel, los atrae hacia sí, como es caracter ístico en los cuerpos electrizados.
2.
Carga eléctrica:
Es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro interacciones fundamentales, la Interacción electromagnética. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 o ±2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.1 En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1 amperio, y se corresponde con la carga de 6,24 × 1018 electrones aproximadamente.
a. Nombre original de las cargas, por Benjamin franklin y en la actualidad
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Benjamín Franklin (1706 - 1790), filósofo, científico estadounidense, nombró positiva/ negativa a los dos tipos de carga eléctrica. La elección del nombre fue arbitraria. La convención de Franklin establece que la carga de la barra de vidrio frotada es positiva, entonces la carga de la barra de caucho es negativa. Esta convención la usamos en la actualidad.
El primer filosofo que estudio el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 adC y 545 adC . En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV adC titulado Libro del amo del valle del diablo : «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste» . La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja».
b. Propiedades fundamentales •
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Las cargas eléctricas pueden ser positivas o negativas. Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. La carga eléctrica neta de un cuerpo es la suma algebraica de sus cargas positivas y negativas; un cuerpo que tiene cantidades iguales de electricidad positiva y negativa (carga neta cero) se dice que es eléctricamente neutro. Principio de conservación de la carga: en todos los procesos que ocurren en un sistema aislado, la carga total permanece constante. Cuantizaciòn de la carga: la carga eléctrica no aparece en cualquier cantidad, sino en múltiplos enteros de una unidad fundamental o cuanto. La unidad fundamental de carga es la carga eléctrica del electrón.
B.
Electroscopio El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. 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 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.
C. Carga por contacto Se puede transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Cuando ponemos una barra cargada en contacto con un objeto neutro se transfiere una parte de la carga a éste. Este método de carga se conoce simplemente como carga por contacto. Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen entre sí. Si se trata de un mal conductor puede ser necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una distribución de carga más o menos uniforme. D.
Carga por inducción
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.
Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre. Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento de la cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos.
E. Partes de la llama de un fósforo y en general explicación del comportamiento Las tres partes de la llama son: •
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Zona de oxidación: es la parte superior de color amarillo, que es una llama ahumante y con un bajo potencial calorífico. Zona de reducción: es la llama central que presenta un color azul tenue. Cono frío: parte inferior de la llama.
F. Conductores y dieléctricos •
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Un conductor eléctrico Es aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas. Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes eléctricos. Algunos ejemplos de este tipo de materiales son el vidrio, la cerámica, la goma, la mica, la cera, el papel, la madera seca, la
porcelana, algunas grasas para uso industrial y electrónico y la baquelita. Los dieléctricos se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen.
1.3 BIBLIOGRAFIA SEARS, SEMANSKY, ALONSO Y FINN, VOL 1 EUGENE HECHT, Física en perspectiva MAC KELVEY, Vol. 1 1.4MATERIALES DE TRABAJO • • • • • • • •
1.5
Barra de ebonita. Barra de vidrio. Electroscopio Trapo de lana Alambre metálico Trozos de papel Dialécticos: madera, porcelana, etc. Fósforos
PROCEDIEMNTO 1. Coloque varias tiritas de papel, lo mas finas posibles, sobre la mesa. Si se a estas una peinilla o barra de ebonita que ha frotado enérgicamente con un paño a lana ¿que observa? RTA: Las finas tiras de papel se atraen con la varita de ebonita.
2. Si hace la misma prueba pero sin frotar la peinilla o barra de ebonita ¿que observa? RTA: No hay atracción por parte de la barra de ebonita hacia los papelitos. 3. ¿En que momento se originan las fuerzas atractivas durante el proceso anterior? RTA: En el momento en que hay una distribución de carga de signo contrario. 4. Explica el origen o causas de las fuerzas eléctricas atractivas. RTA: La electricidad y el magnetismo son fenómenos que observaban los antiguos griegos. La Electricidad la producían cuando frotaban un pedazo de ámbar el cual se electrificaba, atraía pedazos de paja. También supieron de las fuerzas magnéticas observando que la piedra magnetita era atraída por el hierro. 5. ¿Con relación a la experiencia anterior, que puede concluir respecto ala intensidad de las fuerzas eléctricas y gravitacionales que actúan sobre los trocitos de papel? RTA: La fuerza eléctrica es mayor a la gravitacional. 6.
Forte suavemente la barra de ebonita con el paño de lana y toque con este el disco o esfera del electroscopio. ¿que le indica que el electroscopio se ha cargado? Toque el disco y la esfera con el dedo y explique lo que sucede. Repita las mismas operaciones con el vidrio y explique. RTA: Se abren las 2 láminas de oro al hacer contacto con la barra de ebonita. Al tocarla con el dedo esta se descarga y para a través de la mano debido a que esta es un conductor. Con la barra de vidrio no se carga con frotación de la barra. •
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7. Cargue el electroscopio por inducción.
8. repita el punto anterior, pero retirando primero la barra inductora y luego el contacto a tierra. Explique lo que sucede. RTA: No ocurre nada debido a que cuando el electroscopio se carga segundos después se descarga debido al contacto del dedo que en este caso hace como conductor de energía llevándose los electrones. 9. Cargue que electroscopio por inducción y luego acerque la barra de ebonita cargada. ¿Qué observa? explique lo anterior. RTA: Se abre las láminas de oro debido a que cada vez el electroscopio recibe más y mas carga. 10.
Repita el paso anterior pero ahora acerque la barra de vidrio previamente cargada. ¿que observa? Explique lo anterior. RTA: Con la de vidriolas 2 laminas se cargan pero con menos intensidad que con la barra de ebonita.
11.
Cargue el electroscopio por contacto con la ebonita y acerque sucesivamente la barra de vidrio previamente frotada. Explique lo que sucede. RTA: A simple vista se observa que se neutralizan las cargas.
12.
Cargue el electroscopio y acerque al botón un fósforo encendido, ¿Qué observa? Interponga luego entre el fósforo y el botón una placa de vidrio, ¿que sucede ahora? Trate de explicar lo anterior haciendo una hipótesis teniendo en cuanta la composición de la llama. RTA: El electroscopio se descarga de manera proporcional con el calor suministrado. Cuando entre el electroscopio y el fósforo se interpuso una placa de vidrio se descarga pero de forma mas lenta. •
13.
Conecte los 2 electroscopios por medio de un alambre y aproxime la varilla de ebonita previamente frotada, a uno de ellos. Explique lo que sucede. RTA: Se cargan los 2 electroscopios debido a que se distribuyen la carga ya que el metal es conductor, pero un electroscopio se carga mas que el otro.
1.6
14.
conecte los 2 electroscopios en el caso anterior y acerque la barra de ebonita a la mitad del alambre. Explique. RTA: Se cargar los 2 electroscopios proporcionalmente con la carga suministrada.
15.
Cargue una barra de ebonita frotándola enérgicamente. Abra un poco el grifo del agua y sin tocarlo, acerque la ebonita ¿Qué observa? ¿es atraído o repelido el chorro de agua por la ebonita cargada? Explique. RTA: Atrae al agua y crea un campo eléctrico.
CUESTIONARIO
1. De las siguientes partículas diga cuales tienen carga: fotones, electrones, protones, neutrones, antiprotones, positrones y antineutrones. RTA: • • • • • • •
2.
Fotones: carga neutra. Electrones: carga negativa (−1.602564 × 10−19C) Protones: carga positiva (1,602 × 10 –19 C) Neutrones: carga negativa (-0,4 ± 1.1) x 10-21 e) Antiprotones: carga opuesta al protón. Positrones: posee la misma carga de electrón. Antineutrones: ninguna carga eléctrica neta.
Exponga la ley de la conservación de la carga. RTA:
El electrón, la primera partícula elemental, se descubrió hace mucho, en 1897. Por lo que se ha podido comprobar hasta el momento, es absolutamente estable y no se desintegra en otras partículas más ligeras. La estabilidad absoluta del electrón está garantizada por la ley de conservación de la carga eléctrica En una interacción de partículas la carga eléctrica total ha de mantenerse constante. El electrón es la partícula cuántica cargada más ligera, y no puede desintegrarse en
partículas más ligeras porque no hay ninguna partícula que pueda llevarse su carga eléctrica. La ley de la conservación de la carga eléctrica, como todas las leyes físicas, se somete a pruebas experimentales; hasta el momento no se ha demostrado que no se cumpla. Las leyes de conservación, como la ley de conservación de la carga eléctrica, desempeñan un papel muy importante en la interpretación de las interacciones de partículas y en la investigación del origen del universo. Las leyes de conservación, de acuerdo con los trabajos de Noether, son consecuencia de una simetría exacta. La ley de conservación de la carga eléctrica, si es absoluta, es el resultado de una simetría exacta de las ecuaciones de la teoría de campo. 3.
¿Que significa que la carga es invariable? RTA:
Cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro. La carga se conserva. Es un enunciado de la ley de la conservación de la carga. 4. ¿Qué es la electrostática? RTA:
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. Históricamente: la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorios a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación permitiendo demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobernaban los fenómenos magnéticos pueden ser estudiados en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo.
5. ¿En que sentido es neutro un átomo? RTA:
Es todo átomo que no ha perdido ni ganado electrones. Por lo tanto su número de electrones exteriores es igual al número de protones que se encuentran en el núcleo, Si gana electrones se convierte en anión (átomos con carga negativa), y si los pierde se transforma en catión (átomos con carga positiva). 6. ¿Se crea carga al frotar una varilla con piel? RTA:
No, básicamente pues todas las partículas de la naturaleza están cargadas positiva o negativamente o de forma neutra. Lo que sucede con la piel es que no posee una capacidad para transferir cargas eléctricas ni tampoco crear campos eléctricos, como si la poseen las pieles curtidas y como ya sabemos esto se produce por el frotamiento o por inducción.
7. Defínase el significado de aislante y conductor. RTA: •
Aislante: Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. Aunque no existen cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga, para confeccionar aisladores (elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico) Los materiales utilizados más frecuentemente son los plásticos y las cerámicas.
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Conductor: Un conductor eléctrico Es aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento de cargas Se llaman conductores eléctricos a los materiales que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que también poseen la propiedad de conducir la electricidad como son el grafito, las soluciones salinas (p.e. el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el transporte de la energía eléctrica, así como para cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica en las redes de alta tensión. Para aplicaciones especiales se utiliza como conductor el oro.
8. ¿Porque se separan las hojas de un electroscopio al tocarlo con un objeto cargado? RTA:
Porque al acercar un objeto electrizado al botón, la varilla se electrifica y las laminas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su abertura una medida de la cantidad de carga que han recibido. Como dato curioso 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.
9. ¿Esta cargada la tierra? Si es así ¿con que polaridad? RTA:
La superficie de la tierra si esta cargada y tiene carga eléctrica negativa.
10. ¿Que clase de carga baja de la ionosfera a la tierra en un día claro? RTA:
La carga es positiva, porque La ionosfera posee propiedades de un gas tenue y de un plasma, en ella los gases atmosféricos son tan tenues que es posible encontrar electrones libres e iones positivos.
11. ¿Un rayo es energía negativa o positiva? RTA:
Positiva, porque este se desencadena gracias a que existe un paso de corriente eléctrica que ioniza las moléculas de aire. Básicamente las nubes se encargan de crear el rayo pero este reacciona con la carga negativa que posee la tierra, por esto el rayo asume una carga eléctrica positiva.
12. ¿Qué se quiere expresar al decir que algo va a tierra? RTA:
Básicamente, lo que nos quiere decir esto es que todo dispositivo que contenga energía eléctrica o que soporte el paso de la misma debe tener cierta protección la cual es brindada por el polo a tierra.
Usualmente esto se ve en los electrodomésticos de los hogares, se utiliza para prevenir los impactos de los rayos. 13. ¿Por qué algunos vehículos arrastran tiras? RTA:
Los utilizan para prevenir los accidentes fatales, como descargas eléctricas dado a que estas tiras son el medio directo con la tierra, para que en caso de una descarga eléctrica no se sufran consecuencias irremediables. Como dato curioso destaco lo siguiente: Dentro de un vehículo deben tomarse las siguientes precauciones: Cerrar todas las puertas y ventanas. No tocar partes metálicas del vehículo. Por ningún motivo abandonar el vehículo.
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14. ¿Cómo se pega un globo cargado a una pared no conductora? RTA:
Pues nosotros pensamos que seria indispensable cargar la pared ya que de lo contrario no se podría realizar cosa parecida. Sin embargo se podría pensar en una nueva distribución de carga para logra el objetivo.
1.7 CONCLUCIONES La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En •
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cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen.
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Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.
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La fuerza eléctrica es mucho mayor a la fuerza gravitacional, debido a que la intensidad de la energía eléctrica puede permanecer mas tiempo presente que la gravitacional. Cuando se le suministra cierta carga al electroscopio, y luego se le administra fuego podemos concluir que se descarga de una manera proporcional al calor suministrado. Solamente se puede cargar las varitas de ebonita con material orgánico como lana y cabello entre otros mientras que con otro tipo de materiales no, ya que no tienen la capacidad de transferir cargas eléctricas ni crear campos eléctricos. Podemos observar que un barita cargada, puede tener bastante fuerza eléctrica porque no solo atrae como en el experimento pedazos de papel, si no que también un flujo de agua. Por ultimo con el desarrollo de este laboratorio pudimos aprender los diferentes comportamientos de las cargas eléctricas y su funcionamiento frente a casos reales, que más adelante nos serán muy útiles en nuestra vida profesional, ya que los tendremos que aplicar con el día tras día.
