Universidad Nacional de Colombia. Laguna, Prieto. Fenómenos Electrostáticos
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FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Laguna Wilson., Prieto Camilo.
{wnlagunad, caprietop} @unal.edu.co
Universidad Nacional de Colombia distribuciones de carga eléctrica. Su origen formal se remite al siglo XVII cuando se formulo la “Ley de Coulomb”, más adelante Maxwell unifica las normas de la electricidad y magnetismo alrededor siglo XIX.
RESUMEN:
La práctica de laboratorio titulada consiste en la “Fenómenos Electrostáticos” comprobación experimental de la presencia de la carga eléctrica, asimismo el uso de los diferentes métodos de electrización y finalmente diferenciar la naturaleza eléctrica de algunos elementos de nuestra vida diaria. Para esto se requieren instrumentos especiales como el electróforo y el electroscopio. Como resultados finales se obtiene la existencia de cargas positivas y negativas, del mismo modo se comprueba el postulado de la conservación de la energía y por último la clasificación de los materiales según sus propiedades eléctricas.
A continuación se encuentra la base teórica que soporta el desarrollo del laboratorio, enseguida los aspectos experimentales (Procedimiento, material (equipo)), al instante están los resultados obtenidos junto al análisis de éstos y finalmente las conclusiones que arrojan la práctica.
2. MARCO TEÓRICO
ABSTRACT: The lab entitled "Electrostatic Phenomena" is the experimental confirmation of the presence of electric charge, also the use of different methods of electrification and finally differentiate the electrical nature of some elements of our daily lives. This will require special instruments such as electrophorus and electroscope. As a final result is the existence of positive and negative charges, just checked the assumption of conservation of energy and finally the classification of materials according to their electrical properties.
2.1 ASPECTOS GENERALES -Carga Eléctrica
Es algo inherente a la materia e inseparable de ella. Dondequiera que exista materia existe carga eléctrica. Sin embargo, no toda la materia manifiesta fenómenos de tipo eléctrico. La materia que nos rodea está formada por átomos que constan, a su vez, de protones, neutrones y electrones. Los protones y electrones tienen una propiedad que se conoce con el nombre de carga eléctrica.
PALABRAS CLAVE: CLAVE: Carga Eléctrica, Electricidad, Fuerza Electrostática, Ley de Coulomb.
1 INTRODUCCIÓN
Esta carga eléctrica puede ser de d os tipos: - Los protones tienen carga eléctrica positiva. - Los electrones tienen carga eléctrica negativa.
En nuestra vida diaria tenemos sucesos eléctricos de la naturaleza que no se pueden observar a simple vista, sin embargo, estos pueden ser analizados. Por medio de este laboratorio se brinda la oportunidad de estudiar todo lo relacionado con las actividades electrostáticas.
Normalmente, los átomos de los cuerpos tienen tantos protones como electrones, por lo que tendrán tantas cargas eléctricas positivas como negativas. Esto hace que sean neutros. Pero los átomos pueden ganar o perder electrones y convertirse en iones. De esta forma, los cuerpos neutros pueden adquirir una carga eléctrica. Cuando los átomos ganan electrones, el cuerpo adquiere carga eléctrica negativa. Cuando los átomos pierden electrones, entonces el cuerpo adquiere carga eléctrica positiva.
El objetivo general de esta práctica es evidenciar la existencia de la carga eléctrica y los fenómenos básicos de la electroestática. De la misma manera los objetivos específicos que se deben cumplir para garantizar la consecución del objetivo general son: Inicialmente observar algunos fenómenos de la electricidad estática, luego deducir la existencia de dos tipos de carga (Positiva y Negativa). Asimismo conocer los diferentes métodos de electrización con ayuda del electróforo y el electroscopio. Finalmente distinguir las propiedades eléctricas de la materia (Conductores, superconductores, semiconductores y aislantes)
Un cuerpo electrizado está cargado positiva o negativamente porque ha perdido o ganado electrones. Por consiguiente, la carga eléctrica es una magnitud física medible y cuantificable. La cantidad de electricidad «neta» de un cuerpo será igual a un número entero de veces la carga del electrón. [1 ]
La electrostática es el área de la física que tiene como objeto de estudio los fenómenos producidos por 1
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. Se puede medir y cuantificar el c ampo eléctrico que rodea una carga, un grupo de cargas o una distribución continua de cargas midiendo la fuerza sobre una carga de prueba positiva y pequeña. Por carga de prueba debe entenderse una carga positiva tan pequeña que no altere la distribución de las demás cargas, que son las que provocan el campo que se está midiendo.
-Fuerza Eléctrica
Es aquella que se presenta entre dos o más cargas, cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.
El campo eléctrico E, en cualquier punto del espacio se define como la fuerza F que se ejerce sobre una carga de prueba en ese punto, dividida entre la magnitud q de la carga de prueba:
Con esta definición vemos que la dirección del campo eléctrico en cualquier punto en el espacio se define como la dirección de la fuerza sobre una carga positiva de prueba en ese punto. La magnitud del campo eléctrico es la fuerza por unidad de carga, de modo que E se mide en Newton/Coulomb (N/C). [3 ]
Figura 1. Representación gráfic a de “Fuerza Eléctrica” .
La fuerza entre dos cargas se calcula como: -Ley de Coulomb
Aún cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de Charles Coulomb (1736-1806), no se conocía aún la proporción en la que esas fuerzas de atracción y repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras poner a punto un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos cargados.
Donde, = Valores respectivos de la carga 1 y 2. d= Distancia que se tiene entre las d os cargas. Fe= Fuerza Eléctrica. Se debe tener en cuenta que la fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.
Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de la línea que los une.
Cuando se habla de la dirección de la fuerza eléctrica se debe tener en cuenta si son únicamente dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. Ahora bien cuando se está evaluando el sentido de la fuerza eléctrica actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.[2 ]
Las expresiones matemáticas de la ley de Coulomb
-Campo Eléctrico
se expusieron en la explicación correspondiente a” Fuerza Eléctrica”. [4 ]
Es aquel donde existe una fuerza que actúa a distancia, lo que no fue fácil de aceptar para los pensadores antiguos. La idea de campo se extiende de toda carga hacia fuera e invade todo el espacio. Cuando se coloca una segunda carga cerca de la primera, "siente" una fuerza debido a que el campo eléctrico está allí. Se considera que el campo eléctrico en el lugar de la segunda carga interactúa directamente con esa carga para producir la fuerza
-Ley de la Conservación de la Carga
Una de las propiedades básicas de la interacción electromagnética es que la carga se conserva localmente, esto es, no puede crearse ni destruirse una carga neta en ningún punto.
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. circundante (lo que se denominan pérdidas). Nótese que sólo para esta clase de sistemas, y exclusivamente en el caso de que no haya pérdidas, se verificará la relación I = dQ / dt, que en ningún caso puede considerarse una definición de intensidad de corriente, sino sólo como un caso muy particular de la ley de conservación de la carga[5 ]
*Enunciado Matemático
Esto se traduce matemáticamente en que si en un volumen τ la carga contenida disminuye, ello se debe al
flujo al exterior a través de la frontera:
La versión diferencial de esta ley se escribe:
2.2 INSTRUMENTOS PRÁCTICA -Electróforo
Asociada a la ley de conservación de la carga existe una condición de salto que relaciona las densidades de corriente a ambos lados de una interfaz entre dos medios. Esta condición es, en general
Se debe su descubrimiento a Alejandro Volta (1745-1827), funciona aprovechado los fenómenos de influencia o inducción, se compone de dos partes: Una torta de resina electrizable por frotamiento y un disco metálico con mango aislante.
Siendo la divergencia superficial de la densidad de corriente superficial. En muchos casos prácticos, no obstante, este término está ausente y la condición se reduce a una que liga el salto en con la variación de cargas en la superficie.
El objetivo es conseguir electrizar el disco metálico. Para conseguirlo primero electrizamos la torta de resina, por frotamiento, después agarrando por el mango, ponemos sobre ella el disco metálico, tocando en ese momento el disco con un dedo, facilitamos el escape de la electricidad creada por el frotamiento, nuestro cuerpo y el disco han hecho de conductores, quedando al retirar el dedo, cargado el disco de electricidad contraria a la de la resina. Con este instrumento se pueden producir efectos eléctricos y descargas acompañadas de sonido.[6 ]
*Corrientes Estacionarias
Situaciones de corrientes estacionarias (independientes del tiempo), la densidad de corriente resulta ser un campo solenoidal
Esto implica que, para corrientes estacionarias, si consideramos un tubo de corriente, la intensidad en dos secciones cualesquiera de él es la misma
En situaciones no estacionarias esto no será cierto en general, ya que podrá haber acumulación de carga en los puntos intermedios. Esto es, que la corriente que llega normalmente a la superficie debe coincidir con la que sale de ella.
Figura 2. Instrumento
*Aplicación a un Electrodo En el caso particular de un electrodo perfectamente conductor, sumergido en un material por el cual puede fluir una corriente, pero además alimentado por un cable (que lo une a un generador, por ejemplo), la ley de conservación de la carga puede desglosarse, separando la corriente que fluye por el medio, de la que entra hacia el electrodo por el cable de alimentación. Si denominamos I a esta última, la ley de conservación en forma integral queda
“Electróforo”.
-Electroscopio
Fue inventado por el físico francés Jean Antonie Mollet en 1750. Es un aparato que sirve para detectar cuerpos cargados de electricidad. Si la esfera metálica de la parte superior se pone en contacto con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (laminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de un escala.
donde Q es la carga almacenada en el electrodo y el flujo de se calcula a través del material que rodea al electrodo, excluyendo el cable. En esta forma, la ecuación se interpreta como que la corriente que llega al electrodo, parte se emplea en aumentar la carga almacenada y parte se escapa a través del medio
Un electroscopio cargado estando al aire libre perderá gradualmente su carga debido que un pequeño número de moléculas están siendo ionizadas
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. continuamente bajo la acción de rayos cósmicos, algunos de estos iones pueden tomar un exceso de carga del electroscopio. La rapidez de carga de un electroscopio es proporcional a la cantidad de radiación de fondo (radioactividad).[7 ]
-Superconductores
Son aquellos que no ofrecen resistencia al flujo de corriente eléctrica. Los superconductores también presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son repelidos por los campos magnéticos. La superconductividad sólo se manifiesta por debajo de una determinada temperatura crítica Tc y un campo magnético crítico Hc , que dependen del material utilizado.
2.3 MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN La electrización es el proceso mediante el cual un cuerpo adquiere una carga, esta electrización puede ser por:
Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se conocía era de 23,2 K (-249,95 °C), en determinados compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar temperaturas tan bajas se empleaba helio líquido, un refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia global de una máquina con elementos superconductores, por lo que no se consideraba práctico el funcionamiento a gran escala de estas máquinas.
-Electrización por Contacto
Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. -Electrización por Frotamiento
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.
-Semiconductores
Son los materiales sólidos o líquidos capaces de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes. Ciertos metales, como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el diamante o el vidrio son muy malos conductores. A temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se comportan como aislantes.
-Electrización por Inducción
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: Las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.
Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales. Las propiedades de los semiconductores se estudian en la física del estado sólido.
En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente. Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. [8 ]
-Aislantes
2.4 CLASIFICACIÓN MATERIA SEGÚN PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Son materiales en los que las cargas se mueven con mucha dificultad y ofrecen una elevada resistencia al paso de la electricidad. Entre los principales exponentes se encuentra: Madera, fibra de vidrio, yeso, caucho, lucita, ebonita, porcelana y algunos polímeros.[9 ]
-Conductores
Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
3. ASPECTOS EXPERIMENTALES 3.1 PROCEDIMIENTO Teniendo en cuenta lo expuesto en la guía de laboratorio, se lleva su mismo orden. Se tienen 6 procedimientos principales y en algunos se tienen modificaciones de éstos. A continuación se encuentran los procedimientos:
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. Ahora se observa el método de electrización por
-Procedimiento I
“Inducción”. Se realizará para el electroscopio, funciona
de manera similar que el electróforo. a) Acercar al electroscopio un objeto cargado, inmediatamente conectarlo a tierra por medio de la barra de cobre. Luego quitar el contacto y finalmente el objeto cargado. b) Se realiza la verificación de la carga entre el objeto cargado y el electroscopio en el proceso inmediatamente anterior . Para ello tendremos que tener el electroscopio cargado previamente con una carga (sus láminas estarán separadas) y ver la reacción entre éstas cuando se acerca el electróforo cargado por inducción.
Figura 3. Procedimiento I.
Se frota la hoja de acetato y la lamina de plexiglás con un paño. Aquí el método utilizado para cargar tanto la hoja como la lámina es el de frotación. Para comprobar que dichos elementos quedan cargados de forma contraria se realizan las siguientes actividades:
-Procedimiento III
a) Se frota la lamina de plexiglás con un paño, situar sobre esta el electróforo. Al mismo tiempo conectar a tierra con ayuda de la barra de cobre el disco del instrumento. En este proceso el electróforo se carga por el método de inducción. b) Al cargar la placa conductora del electróforo, posteriormente se acerca al electroscopio hasta que salte una chispa. Se debe tener en cuenta que electroscopio debe estar sin carga.
Figura 5. Procedimiento III.
Ubicar dos láminas de acetato sobrepuestas. Luego frotarlas con el paño, finalmente comprobar con el electroscopio la carga que tiene cada una.
c) Descargar el electróforo con ayuda de la barra de cobre. Cargarlo nuevamente como se menciono anteriormente pero con una hoja de acetato. Finalmente acercar el electróforo nuevamente al electroscopio previamente cargado.
-Procedimiento IV
d) Repetir el procedimiento anterior pero en lugar de cargar el electróforo con la hoja de acetato, usar la lámina de plexiglás.
Determinar la velocidad con la que el electroscopio se descarga. Para ello dejamos el electroscopio sin ninguna interacción con otros elementos por determinado tiempo (5 min.). Realizar un puente entre el electroscopio con la barra de cobre y una cinta aislante. Aquí por la falta de cinta aislante se utilizo un material aislante como el PVC.
-Procedimiento II
-Procedimiento V
Figura 4. Procedimiento II. Figura 6. Procedimiento V.
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