GUÍA DE LABORATORIO N°. 1 ELECTROMAGNETISMO: ELECTROSTÁTICA
CARLOS ANDRES AMAYA RODRIGUEZ ANA MARIA DELGADO CUADRADO SANDRA MILENA SAJONERO DAVID
DIVA JIMENEZ Docente
ELECTROMAGNETISMO GRUPO 2
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR INGENIERIA DE SISTEMAS 2013
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y EDUCACIÓN DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIOS DE FÍSICA “MIGUEL ÁNGEL VARGAS Z.” GUÍA DE LABORATORIO No. 1A ELECTROMAGNETISMO: Electrostática INTRODUCCIÓN Los antiguos griegos ya sabían que al frotar ámbar con una piel, esta adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y pequeñas semillas, fenómeno éste descubierto por el filósofo griego Tales de Mileto hace cerca de 2500 años. Casi 2000 años después el médico inglés William Gilbert observó que algunos otros materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier otro cuerpo, aún cuando no sea ligero. Como la designación griega correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término "eléctrico" para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que derivó en los términos electricidad y carga eléctrica. Sin embargo, fue sólo hacia mediados del siglo XIX que estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Faraday hacia 1833 y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia. Es posible observar el fenómeno descrito al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota una barra de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño.
En la siguiente práctica experimental se buscará comprobar, de una forma parecida a como lo hicieron los antiguos, todas estas características electrostáticas de los diferentes materiales, así como experimentar con las diferentes formas para cambiar la carga eléctrica de un cuerpo: por inducción, por conducción y por frotamiento, entre otras que no se estudiarán en esta práctica. 1. CONCEPTOS BÁSICOS 1.1 La 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 fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga -1, también notada -e. Los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. Los quarks tienen carga fraccionaria ±1/3 ó ±2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza. 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 6,25 × 1018 electrones aproximadamente.
1.2
Tipos de Cargas: Si se toma una varilla de vidrio y se frota con seda colgándola de un hilo largo (también de seda), se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con seda) se produce una repulsión mutua. Sin embargo, si se aproxima una varilla de ebonita, previamente frotada con una piel, se observa que atrae la varilla de vidrio colgada. También se verifica que dos varillas de ebonita frotadas con piel se repelen entre sí. Estos hechos se explican diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las dos varillas ejercen fuerzas entre sí. Los efectos eléctricos no se limitan a vidrio frotado con seda o a ebonita frotada con piel. Cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléctrica se verá que, si repele al vidrio, atraerá a la ebonita y viceversa.
No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo. Es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de ebonita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a observación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la barra de ebonita, repelerá a la de vidrio. La conclusión de tales experiencias es que sólo hay dos tipos de carga y que cargas similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita. 1.3 Aislantes y Conductores: Una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, es posible cargarla si se la provee de un mango de vidrio o de ebonita y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas se pueden mover libremente en los metales y en el cuerpo humano, mientras que en el vidrio y la ebonita no pueden hacerlo. Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléctrica. Estas sustancias se denominan conductores. En contrapartida a los conductores eléctricos, existen materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos. En consecuencia, esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su seno depende de la naturaleza de los átomos que las componen. Entre los buenos conductores y los dieléctricos existen múltiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedades conductoras pueden ser alteradas con cierta facilidad mejorando su conductividad en forma prodigiosa ya sea mediante pequeños cambios en su composición, sometiéndolos a temperaturas elevadas o a intensa iluminación.
A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido. 1.4 Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos: Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido en un cuerpo eléctricamente neutro. Electrización por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos. Electrización por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño. Carga por inducción: La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro. Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente. Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
2. OBJETIVOS Determinar el comportamiento de las cargas estáticas, producir cargas por frotación, por inducción y por contacto con diferentes clases de materiales y determinar el signo de cada una de ellas. 3. MATARIALES Barra de vidrio Barra de ebonita Barra de plástico Paños para frotación: seda, piel y lana Base Un electroscopio Hilo Bola de plástico liviana o bomba inflada
4. PROCEDIMIENTO 4.1 Con los materiales disponibles, realiza el montaje que se ilustra en la Fig. No. 1 utilizando dos barras de vidrio.
4.2 Frote vigorosamente los dos extremos de las barras de vidrio utilizando el paño de piel, acerque los dos extremos de las barras. ¡Explique lo que observa! Repita el
mismo procedimiento utilizando los otros dos paños, en cada caso anote sus observaciones.
VIDRIO VS VIDRIO SEDA PIEL Repulsión, porque estas al Repulsión, como la barra ser frotadas con seda de vidrio pierde adquieren carga positiva electrones, al ser frotada ambas y se repelen porque con la piel, esta gana los las dos cedieron electrones que perdió la electrones a la seda. barra de vidrio. Con la seda el efecto es Con la piel es media la más Rápido. reacción
LANA No pasó nada, pero en teoría debió de repelerse puesto que los electrones de la superficie de la varilla de vidrio se transfieren a la piel, dándole a la varilla de vidrio una carga positiva y a la piel, una negativa. Con la lana el efecto es sumamente lento
4.3 Cambie una de las barras de vidrio por una de ebonita y repita el paso anterior, ¡Explique lo que observa esta vez!
SEDA Se produjo una atracción aunque según la teoría debió producirse una repulsión, porque estas al ser frotadas con seda adquieren carga negativa ambas y se repelen porque las dos obtuvieron electrones a la seda haciendo que esta quede cargada positivamente. Con la seda el efecto es más Rápido.
EBONITA VS EBONITA PIEL No pasó nada, pero en teoría debió de repelerse puesto que los protones de la superficie de la varilla se transfieren a la piel, dándole a la varilla de plástico una carga negativa y a la piel, una positiva. Con la piel el efecto es sumamente lento
LANA Repulsión, como la barra de ebonita gana electrones, al ser frotada con la piel, esta gana los protones que perdió la barra de ebonita. Con la piel es media la reacción
4.4 Repita los pasos del numeral 4.2 utilizando: a) dos barras de plástico, b) una barra de vidrio y una de plástico y c) una de ebonita y una de plástico. En cada caso anote sus observaciones.
a) y c) PLASTICO (EBONITA) VS PLASTICO (EBONITA) SEDA PIEL LANA Se produjo una atracción No pasó nada, pero en Repulsión, como la barra aunque según la teoría teoría debió de repelerse de ebonita gana debió producirse una puesto que los protones de electrones, al ser frotada repulsión, porque estas al la superficie de la varilla con la piel, esta gana los ser frotadas con seda se transfieren a la piel, protones que perdió la adquieren carga negativa dándole a la varilla de barra de ebonita. ambas y se repelen porque plástico una carga Con la piel es media la las dos obtuvieron negativa y a la piel, una reacción electrones a la seda positiva. haciendo que esta quede Con la piel el efecto es cargada positivamente. sumamente lento Con la seda el efecto es más Rápido.
b)
SEDA Atracción, porque estas al ser frotadas con seda adquieren carga positiva el vidrio y carga negativa el plástico por ende se atraen. Con la seda el efecto es más Rápido.
VIDRIO VS PLASTICO PIEL Tracción, como la barra de vidrio pierde electrones, y la de plástico los gana al ser frotada con la piel, la reacción de las mismas al ser cargas opuestas es atraerse. Con la piel es media la reacción
LANA No pasó nada, pero en teoría debieron de atraerse ya que tenían cargas contrarias. Con la lana el efecto es sumamente lento
4.5 Tome la bola de caucho (puede ser una bomba inflada) y cuélguela de un hilo. Frote la barra de vidrio con el paño de piel; ya electrizada la barra, acérquela (sin
tocarla) a la esfera de caucho y luego tóquela. Explique lo que observa antes y después de tocar la esfera con la barra de vidrio. BOMBA INFLADA VS VARILLA VIDRIO FROTADA CON PIEL SIN TOCAR AL TOCARSE Al frotar y electrizar la varilla, se acerca Al tocar la bomba con la barra ya a la bomba y se genera una fuerza de electrizada, se pega al globo y al tratar atracción sin tocar la bomba. de separar la barra esta atrae la bomba hacia ella.
4.6 Repita el paso anterior pero, esta vez, frote la barra de plástico con el paño de lana. Explique lo que observa antes y después de tocar la esfera con la barra de plástico. Sucede lo mismo que en el paso anterior con la piel pero en una cuantía menor 4.7 Acerque a la esferilla del electroscopio la barra de vidrio previamente cargada y observe qué sucede con la laminilla que tiene en su parte inferior. Escriba su observación. Al acercar la barra de vidrio al electroscopio, pudimos observar la cantidad de carga adquirida por la barra al frotarla con el paño, puesto que movió la laminilla del electroscopio. 4.8 Descargue el electroscopio tocándolo con la mano y repita la operación del punto 3, pero ahora con la barra de plástico. Observe y escriba lo que sucede con la laminilla esta vez. Al acercar la barra de plástico al electroscopio, pudimos observar la carga adquirida por la barra al ser frotada con el paño, puesto que movió la laminilla del electroscopio, en comparación con el paso anterior la laminilla se movió más rápidamente con la de plástico que con la de vidrio, lo cual nos permite concluir que el plástico se electriza más rápido que el vidrio. 4.9 Repita la operación del punto 3, pero después, sin descargar el electroscopio, acerque la barra de plástico. Escriba lo que observa. Pues si no se descarga el electroscopio este queda cargado negativamente, que es la carga que en ese momento le paso el plástico y al frotar nuevamente la varilla de plástico se carga negativamente así que la reacción es de repelerse y mover nuevamente la laminilla.
5. ANÁLISIS Y CONCLUSIONES 5.1 ¿Con la práctica realizada puedes concluir qué tipo de carga adquiere cada una de las barras (vidrio, plástico y ebonita) al ser frotadas con cada uno de los paños (lana, seda y piel)? ¡Explica! VIDRIO
LANA SEDA PIEL
PLASTICO (EBONITA) Se carga positivamente, Negativamente más lento que los otros dos materiales Se carga positivamente, Se electriza más rápido Negativamente Se electriza Negativamente positivamente, con una cargado velocidad media
METAL No se carga No pasa nada No se electriza
5.2 Explica por qué la esfera de plástico es inicialmente atraída por la barra de vidrio y por qué después de estar en contacto es rechazada. Al principio la esfera está en estado neutro, pero al estar en contacto con la barra de vidrio que está cargada, la esfera toma carga de la barra de vidrio, y al quedar con una misma carga las dos, estas se repelen. 5.3 Explica por qué la barra de plástico atrajo a la esfera rechazada por la barra de vidrio. El momento en que la esfera tuvo contacto con la barra de vidrio, esta tomo la carga positiva de la barra, y después al tener contacto con la barra de plástico que tiene carga negativa, estas dos se atraen. 5.4 Explique con sus propias palabras, qué significa que un cuerpo tenga carga eléctrica negativa y que significa que tenga carga positiva. Cuando los electrones pasan de un cuerpo a otro, el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente y el que gana electrones se carga negativamente.
5.5 Explique en qué consiste la carga eléctrica por frotamiento, contacto e inducción y diga en su experimento en qué momento se cargó un cuerpo por cada una de estas formas. Carga eléctrica por frotamiento: Tienes dos objetos compuestos por protones y electrones, al frotarlos ocurre una des-compensación en los electrones que provoca que uno de los cuerpos se cargue con los electrones del otro. Carga eléctrica 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. 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. Carga eléctrica por inducción: Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. Durante nuestro experimento estos métodos de carga se presentaron cuando: • • •
Frotamos las barras con los paños Acercábamos las barras a la esfera Tocamos la esfera con cada una de las barras
5.6 Una esfera conductora colgada de un cordel es atraída por una varilla con carga positiva. ¿Estará necesariamente la esfera cargada negativamente? Si la esfera es repelida por la varilla cargada positivamente, ¿tendrá necesariamente la esfera carga positiva? Si es atraída por la varilla, entonces la esfera tiene carga negativa o está neutra. Si es repelida por la varilla, entonces necesariamente tiene carga positiva. 5.7 Suponga que alguien propone una teoría según la cual la gente está unida a la Tierra por fuerzas eléctricas y no por la gravedad. ¿Cómo probaría usted que esta teoría es errónea? Pues si fuera así y solo consideramos que la gente está unida a la Tierra por cargas eléctricas se puede suponer que la tierra tiene una carga negativa y evidentemente
los humanos tendríamos cargas positivas para que exista atracción, acercándome a otra persona. Si estuviéramos atraídos por Tierra en forma eléctrica entonces nos repeleríamos. También, luego de estar en la superficie de la Tierra saldríamos expulsados de su superficie pues tendríamos el mismo tipo de carga que ella. 5.8 Suponer que se dispone de dos esferas metálicas con bases aislantes. Se desea cargarlas con igual valor de carga, pero con signo contrario, usando una varilla cargada positivamente. Describir el proceso por medio de dibujos. ¿Qué haría para cargar ambas con igual carga positiva? ¿Y con igual carga negativa? En el primer caso sería carga por contacto: Se ponen las dos esferas juntas y luego se toca a una de ellas con la varilla.se distribuye la misma carga en las dos esferas. Finalmente se las separa con lo que las dos quedarán cargadas positivamente. En el segundo caso habría que cargarlas por inducción: Se acerca la varilla positiva a una esfera pero sin tocarla con lo que el lado próximo a la varilla se cargará negativamente y el lado opuesto positivamente. Entonces, se conecta ese lado de la esfera a tierra y así los electrones que suben de tierra van a neutralizar las cargas en el lado positivo quedando la esfera cargada negativamente en su totalidad. Luego se hace el proceso con la otra esfera. 5.9 Analice y responda cada una de las siguientes preguntas: 5.9.1 ¿Qué significa que un cuerpo no tenga carga eléctrica? Esto significa que tiene la misma cantidad de electrones que de protones. Un átomo tiene la misma cantidad de electrones que de protones, si el átomo pierde electrones entonces será un ión positivo, y si gana electrones será un ión negativo. 5.9.2 ¿Por qué se descarga el electroscopio al tocarlo con la mano? Porque al tocarlo nuestro cuerpo hace un puente con el piso y la carga automáticamente pasa hacia la tierra. 5.9.3 Suponiendo que el valor de la carga del protón fuera un poco diferente de la carga del electrón, por ejemplo un 0,1%, ¿sería este mundo muy diferente? ¡Explique! Claro, si la carga eléctrica del electrón hubiese sido sólo ligeramente diferente, las estrellas, o habría sido incapaces de quemar hidrógeno y helio, o, por el contrario, no habrían explotado. El hecho notable es que
los valores de esas cantidades ha sido el determinante para hacer posible la vida, por lo menos, en nuestro planeta. 5.9.4 Si se carga un globo con un tejido de lana, éste se pegará a las paredes. ¿Por qué? Luego el globo se caerá. ¿Por qué? La pared está con carga neutra y es por esto que el globo se adhiere. Ya que un cuerpo neutro y otro cargado se atraen. El globo quedara pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas; la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse, creando una superficie de carga positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo. Finalmente el globo caerá porque se produce el equilibrio eléctrico, es decir de cargas eléctricas ya que entre el globo y la pared hay transferencia de carga eléctrica. Ahí el globo se desprende de la pared 5.9.5 Después de sacar dos pares de calcetines de una secadora, el par A se mantiene pegado durante largo tiempo mientras que eso no ocurre con el par B. ¿Qué par está fabricado con material mejor conductor? El par A, ya que el estar pegados se debe al hecho de que han acumulado suficientemente carga estática (positiva y negativa). Esto es precisamente lo que hace a un material buen conductor de la electricidad, la capacidad que tiene de alinear sus iones (moléculas cargadas eléctricamente) en cationes (cargas positivas) y aniones (cargas negativas).
5.9.6 Explique a partir de un punto de vista atómico, ¿Por qué la carga suele transferirse por medio de electrones? Porque son las únicas partículas subatómicas que tienen movilidad, y esto les permite desplazarse de átomos así como de niveles. 5.9.7 ¿Cuál es la diferencia de cargar un objeto por inducción y cargarlo por conducción? Para cargar un cuerpo por conducción se pone en contacto dos cuerpos conductores, por ejemplo dos metales, uno de ellos ya cargado, Las cargas se distribuirán en los dos cuerpos.
Para cargarlo por inducción, se debe acercar un cuerpo cargado a otro, sin tocarlo, en el segundo, que deberá ser conductor, las cargas se distribuirán o sea los electrones se alejarán si se acerca un cuerpo cargado negativamente, o se acercarán si se acerca un cuerpo cargado positivamente y luego se tiene que separar el cuerpo inducido en dos partes para que cada una mantenga la carga O sea el exceso o defecto de electrones. 5.9.8 Se tiene una varilla de vidrio y un trozo de seda. Si se frotan, a) ¿se crea carga eléctrica en el proceso?, b) ¿con qué carga eléctrica queda cada objeto? a) No se crea carga eléctrica en el proceso, solo se vuelve a distribuir, la seda traspasa carga eléctrica a la barra de vidrio y viceversa, la varilla de vidrio queda cargada positivamente, al ser frotada por el trozo de seda traspasa carga negativa a esta misma.
6.0 BIBLIOGRAFÍA 1.
Física Re – Creativa, Salvador Gil y Eduardo Rodríguez. Prentice Hall – Buenos Aires. 2001.
2.
Alonso, M. Finn, J.E., Física, volumen 2, Addison-Wesley Iberoamericana, México, 1995. Serway, Raymond A. FÍSICA, tomo 2, cuarta edición, McGraw-Hill, México, 1997.
3.
