Universidad Nacional de Colombia. Colombia. Sierra C., Moreno D., Tovar N. Fenómenos Electrostáticos Electrostáticos
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UNI#ERSID"D N"CIN"$ DE C$M%I" F"CU$T"D DE CIENCI"S DE&"RT"MENT DE F'SIC" FEN!MENS E$ECTRST(TICS Sierra) C., Moreno) D., Tovar * N. 2
1 Facultad de Ciencias Facultad de Ingeniería
Resumen — El hombre ha intentado describir los fenómenos de la natu natura rale leza za y entr entree esto estoss se encu encuen entr tran an los los fenó fenóme meno noss electrost electrostátic áticos, os, en los cuales cuales la carga carga eléctric eléctricaa como propiedad intrínseca intrínseca de los cuerpos cuerpos se acumula acumula en estos. Hay tres formas formas de cargar un cuerpo, por inducción, fricción o frotación y contacto. El objetivo es poder describir la transferencia de cara de una cuerpo a otro empleando las diferentes formas de cargar un cuerpo.
Palabras Clave — arga eléctrica, carga por inducción, carga por fricción, carga por contacto contacto, atracción, repulsión.
I.I NTRDUCCI!N ! lo largo de la historia el hombre ha intentado describir con e"ac e"acti titu tud d los los fenóm fenómen enos os físi físico coss #ue lo rode rodean an.. $in $in duda duda la electr electrici icidad dad ha sido sido uno de los fenóm fenómeno enoss más más intere interesan sante tess de estudiar, ya #ue la electricidad está presente desde la chispa #ue se genera el #uitarse un saco de lana hasta la descarga provocada por un rayo. Ejemplo de lo anterior es #ue las las personas en su cotidianidad cotidianidad pueden ob servar como dos objetos pueden atraerse o repelerse entre sí, como lo es un globo frotado frotado sobre el cabello cabello y alejado alejado de éste mismo una corta distancia, se evidencia la elevación elevación del cabello . %os objetos pueden estar cargados positiva o negativa, así como no poseer carga y por ello se denominan neutros. omo la carga eléctrica es una propiedad de la materia #ue causa las interacciones eléctricas y magnéticas, se intentará describir su transf transfere erenci nciaa de un cuerpo cuerpo a otro, otro, ya sea sea media mediante nte frotam frotamie iento nto,, inducción o contacto.
II.
M"RC TE!RIC
%os griegos, griegos, hacia hacia el siglo siglo &' !.. !.. conocí conocían an ya el fenómeno fenómeno electromagnético. $e dice #ue por primera vez fue observado en la ciudad de (agnesia del (eandro en (eandro en !sia (enor , de ahí el término magnetismo. $abían #ue ciertas piedras atraían el hierro, y #ue los troc trocit itos os de hier hierro ro atra atraíd ídos os,, atra atraía ían n a su vez vez a otro otros. s. Esto Estoss se denominaron imanes naturales. El prime primerr filósof filósofo o #ue estudi estudió ó el fenóme fenómeno no del magnet magnetism ismo o fue )a )ales les de (i (ilet leto o , filósofo griego #ue vivió vivió entre entre *+ !.. !.. y - !.. !.. En hina hina,, la primer primeraa refere referenci nciaa a este este fenóme fenómeno no se encuentra en un manuscrito del siglo '& !.. titulado %ibro del amo del valle del diablo /%a magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste0. %a primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los a1os +2 y 322 322 de de nuestra nuestra era /%a magnetita atrae a la aguja0. !hora bien, la electricidad se define como un fenómeno físico4 5
#uímico en el cual cual se presenta un movimiento de electrones electrones a través de un material. material. 6e esta definición definición se puede hacer una clasific clasificació ación n básica #ue comprende comprende a.
Elect Electric ricida idad d en corri corrient entee alter alterna na %a %a cual cual se produ produce ce en en los generadores de corriente alterna, y ocurre cuando una bobina se mueve en frente de un imán y los electrones se mueven por el hilo de la bobina. b. Electricidad Electricidad por corriente continua Es la producida por las pilas, las baterias y los dinamos. En esta hay una tensión constante, al igual #ue la corriente, esto 7ltimo implica un mismo n7mero de electrones. c. Elect Electric ricida idad d estát estática ica Es el el tipo tipo de ener energía gía #ue #ue se gene genera ra de un e"ceso de carga eléctrica #ue acumulan ciertos materiales, a causa del rozamiento. )anto en la electricidad por corriente alterna como por corriente contin continua ua hay una circul circulac ación ión de las carga cargas, s, mient mientras ras #ue la electricidad estática, como su nombre lo dice forma cargas #ue no se mueven. !dicionalmente, en cuanto a la apreciabilidad de estos fenómenos de electri electricidad cidad en la vida diaria, diaria, se ejemplifi ejemplifica ca en acciones acciones tan sencillas como caminar sobre una alfombra en tiempo seco, y luego tocar la perilla metálica de una puerta, en donde es muy probable #ue se produzca una chispa. !contecimientos como estos dejan entrever la cantidad de carga eléctrica #ue se aglomera en los objetos #ue nos rodean. %os entes cargados establecen fuerzas entre sí. on el propósito de evidenciarlo, si se frota una vara de vidrio con seda se transfiere una pe#ue1ísima cantidad de carga de un cuerpo a otro, alterando la neutralidad eléctrica de cada uno. $i suspendemos la vara cargada de un cordón cordón,, y si coloca colocamos mos una segun segunda da vara vara de vidrio vidrio cargada cargada también, éstas se alejan entre sí. En contraste si frotamos una vara de plástico con un trozo de piel, éste atrae la varilla de vidrio suspendida. suspendida. 8ara darle e"plicación e"plicación a esto se afirma afirma #ue e"isten e"isten dos clases de carga, una positiva, e"puesta por el vidrio frotado con seda, y una negativa, la cual corresponde a la vara de plástico frotada con un trozo de piel. E"isten dos tipos de cargas eléctricas a las #ue 9enjamin :ran;lin las llamó positiva y negativa, a las p rimeras se les denomino protones y a las segundas electrones, y tienen como propiedades #ue < %as cargas de signos opuestos se atraen y las cargas del mismo signo se repelen entre sí. < En un sistema aislado, la carga total se conserva. < %a carga está cuantizada. !parte de las propiedades de las cargas eléctricas , hay tres formas básicas para producir cargas en los materiales, materiales, y son
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Carga por inducción.
%a inducción es un proceso de carga en un objeto sin un contacto directo, ya #ue un cuerpo previamente cargado eléctricamente puede inducir en un objeto neutro una separación de cargas, dando una redistribución de las cargas pero sin alterar su carga neta. %as zonas pró"imas al cuerpo inductor se #uedan cargadas con signo opuesto a éste y las lejanas con cargas del mismo signo. uando permitimos #ue las cargas salgan de un conductor por contacto, se dice #ue lo estamos conectando a tierra. 6urante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción.
Carga por contacto.
$e presenta cuando se pone en contacto un cuerpo sin cargar =neutro> con uno cargado, y este le transmite la carga de mismo signo, ya #ue e"iste un flujo eléctrico desde el cuerpo #ue posee mayor densidad de carga al de menor hasta #ue se igualan eléctricamente, y por tanto tienen la misma carga.
Carga por frotamiento.
Este se realiza al poner en contacto dos cuerpos y moverlos de manera bidireccional de tal manera #ue se friccionen uno con el otro y e"ista una transferencia de cargas. ?no de ellos se #ueda cargado negativamente por tener mayor afinidad por los electrones y el otro cargado positivamente por menor afinidad.
III.
+
$eg7n las observaciones realizadas, al frotar las diferentes barras con el pa1o de lino se producía la carga de los materiales pero era necesario aumentar el tiempo de fricción, mientras #ue con el pa1o de lana la carga se daba en menor tiempo, esto implica #ue el pa1o de lino presenta una mayor resistencia a ceder sus electrones al objeto con el cual esta en contacto. En el momento #ue estas barras se ponían en contacto con el electroscopio para evidenciar si poseía cargar, hubo unos #ue no presentaban la separación de las tiras de aluminio dentro del electroscopio lo #ue indica #ue el cuerpo posee carga, como en el caso de la varilla de vidrio y de la barra de madera, esto se debe a #ue estos cuerpos son de un material aislante y por eso no iba a transferir parte de su carga al electroscopio. :enómeno contrario a la barra de 8& y de plástico. En el caso de las láminas sucedió lo mismo #ue las barras con el pa1o de lino y con el pa1o parecido a la lana, pero ambas eran buenas conductoras por#ue al estar en contacto con el electroscopio se presento la carga de las tiras de aluminio y por tener cargas igual se repelen y de allí su separación.
#. a.
&RE-UNT"S SU-ERID"S
¿Porqué un cuerpo cargado atrae pequeños trozos de papel (neutros)?
?n cuerpo cargado independientemente de su carga puede atraer un cuerpo neutro debido a #ue induce una redistribución de cargas en el cuerpo neutro, presentándose cerca al cuerpo inductor las cargas opuestas a éste, ejerciendo la atracción y las de la misma carga en una región más lejana sobre el cuerpo #ue inicialmente era neutro. Esto es un ejemplo de una carga por inducción.
M"TERI"$ES + MTDS b.
¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método de frotamiento?
Es posible cargar un cuerpo metálico, pero su carga no va a ser apreciable, dado #ue los metales son buenos conductores, es decir, favorecen el flujo de electrones, y por tanto a medida #ue se vaya obteniendo por la fricción se van a ir distribuyendo por el metal., y si se toca por otro cuerpo, los va a ceder a éste. c.
%os materiales empleados para evidenciar las propiedades de las cargas eléctricas así como las forma de carga, fueron Electroscopio =3>, Electróforo =+>, %ámina de !crílico =@>, 9arra de madera =->, )ubo de policloruro de vinilo =8&> =>, 9arra de plástico =*>, 8a1o de lino y de lana =A>, 9arra de vidrio =B>, Hojas de acetato =radiografías> =C>, Hoja de ple"iglás =32>. %a metodología consistió en inducir la carga en los diferentes materiales como el 8&, la madera y el plástico con los pa1os de lino y lana, y confirmar si tenían o no carga con el electroscopio y el electróforo. !sí mismo inducir la carga por frotación en las hojas de acetato y ple"igas con los pa1os y entre ellas mismas, y confirmar con el electroscopio y el electróforo.
I#.
RESU$T"DS + "N($ISIS DE R ESU$T"DS
¿En qué momentos de la ida cotidiana se obseran fen!menos de electricidad estática? "i estos fen!menos son molestos# ¿c!mo podr$an eitarse?
%a electricidad estática hace referencia a un acumulo de carga eléctrica #ue se genera por el e"ceso de ésta en un cuerpo. Este tipo de electricidad se genera por contacto, fricción, o inducción de materiales aislantes y de materiales conductores #ue se encuentran aislados. Ejemplo de ello es cuando una persona #ue baja de un vehículo sufre una descarga a tocar la puertaD otra situación es cuando las personas se desplazan por oficinas con piso sintético =aislante> y un ambiente secoD en el desplazamiento de e#uipos de trabajo o vehículos de logística por pisos aislanteD contacto o fricción entre materiales aislantes, entre otros. El modo para eliminar estás descargas radica es #uitar el asilamiento de materiales aislantes como conductores, por #ue por ello es #ue la carga eléctrica se mantiene en un punto hasta #ue llegue un conductor #ue haga polo a tierra para generar la descarga.
Universidad Nacional de Colombia. Sierra C., Moreno D., Tovar N. Fenómenos Electrostáticos #I. CNC$USINES 4 uando generamos fricción en un cuerpo al frotarlo este puede ganar o perder energía dependiendo al material utilizado y de #ue tanta energía se produzca al frotarlo. 4 $e observó #ue los materiales con mayor carga eléctrica vistos en el laboratorio son plástico, acetato y vinilo. 4 uando un cuerpo es cargado por frotamiento y se hace contacto con el electroscopio, los electrones pasan a través de las láminas y estas se repelen o atraen, debido a #ue los electrones del cuerpo y el electroscopio tienen cargas de signos iguales o contrarias respectivamente. 4 :enómenos como la chispa #ue origina el electróforo o el movimiento de las láminas del electroscopio dan una breve intuición de la e"istencia de la carga eléctrica en los cuerpos.
REFERENCI"S 3F (ora 6. Electricidad estática G un simple susto o peligro real Iestión práctica de riesgos laborales. Joviembre, +22*. @+. 3B K +-. +F $ears, L. %$sica uniersitaria. &olumen + @F $erMay, N. Electricidad & magnetismo. * ᵀᴬEdición. 'nternational )homson Editores $.! (é"ico 6.: +22.
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