Laboratorio de Fisica Electromagnetica, Abril 2011
ELECTROSTÁTICA
1
Ricardo Espinosa2, Eduardo Estrada2, Alicia Osorio2, Adolfo Perez2, Kevin Torres2
Recibido
; Aceptado
; Publicado en línea
Resumen Los fenómenos eléctricos se conocen desde hace más de 2500 años. Se sabia que pedazos de ámbar frotados, frotados, especie de resina con la cual se hacen joyas, atraian trozos de papel. Hoy de puede hacer el mismo experimento peinando el cabello con un peine de plástico. Estas fuerzas se denominan electricas porque vienen de la palabra griega elektron, que significa ámbar.
La finalidad última de este artículo es definir el concepto de electrostática mediante la presentación de varios experimentos realizados en un laboratorio para estudiar los fenómenos de carga y descarga de un cuerpo eléctricamente.
Palabras clave: Fenómenos electricos, electrostática, carga eléctrica, fuerza eléctrica
1. Parte de la fisica electromagnética que se ocupa del estudio de las c argas electricas en reposo. 2. Estudiantes de Ingenieria Mecánica de la Universidad del Atlántico (Facultad de Ingeniería).
Cargas Electricas
ELECTROSTATIC
Ricardo Espinosa, Eduardo Estrada, Alicia Osorio, Adolfo Perez, Kevin Torres
Abstract Electrical phenomena have been known for over 2500 years. It was known that rubbed amber pieces, a kind of resin which makes jewelry, drew pieces of paper. Today can do the same experiment pei-ordinating the hair with a plastic comb co. These forces are called elec-tions because they come from the Greek word
elektron, meaning amber. The ultimate aim is to define the concept of electrostatic me-by presenting several experiments conducted in a laboratory study pa-ra charge and discharge phenomena of a body electrically.
Keywords: Electrical phenomena, Electrostatics, electric charge, electric force.
Laboratorio deFisica III, (2011)
INTRODUCCIÓN La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos producidos por distribuciones de cargas eléctricas, 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 laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo. La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseñanza moderna, como el hecho de que ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotamiento y atraen pequeños trozos de papel o pelo, por ejemplo un globo inflado que previamente se ha frotado con u n paño seco. El concepto básico del curso de Física Universitaria III, y su laboratorio, es la carga eléctrica. La carga eléctrica es la base de la electricidad. El concepto surge de la observación e interpretación de los fenómenos electrostáticos. Algunos de los hechos que pueden explicarse usando como modelo el concepto básico de la electricidad es la atracción, o rechazo, de cuerpos que han sido cargados a l tocarlos con barras de vidrio frotadas con seda, la polarización de un “hilo” de agua cayendo de una pluma, y las chispas que saltan de un generador electrostático de Van der Graff En condiciones de limpieza de los materiales usados y ausencia de humedad, la fricción entre dos cuerpos hace que cada uno adquiera carga. Por ejemplo, el frotar una piel de conejo con una barra de ebonita, hace que la barra adquiera carga negativa. En cambio, si frotamos una barra de vidrio con seda, la barra de vidrio se carga positivamente.
Características del modelo
Cuando los físicos explican lo que observan y pueden hacer predicciones acertadas sobre lo que va a suceder en diversas circunstancias relacionadas con sus observaciones, están usando un modelo. El modelo de la carga eléctrica tiene los siguientes aspectos: a. Propiedades cualitativas de la carga eléctrica: i. Hay dos tipos de carga eléctrica: positiva y negativa ii. Las cargas del mismo tipo se rechazan, mientras que las de tipos diferentes se a traen b. La ley de Coulomb: La magnitud de la fuerza de atracción, o rechazo, entre dos cargas puntiformes, separadas por una distancia r está dada por la ecuación,
Cargas Electricas
Donde F representa la magnitud de la fuerza, k , a una constante, y q1 y q2 a las cargas. En el Sistema Internacional (SI), la unidad de fuerza es el Newton, abreviado N. La unidad de carga, el coulombio, abreviado C, y la de distancia, el metro, m. En este sistema, la constante electrostática k tiene un valor exacto definido como k = 10-7 c 2 donde c representa la velocidad de la luz en el vacío. Expresado con cuatro decimales el valor de k es de 8.9876 × 109 N-m2/C2, y generalmente se redondea a 9 × 109 Nm2/C2. La fuerza es un vector cuya dirección apunta paralelamente a la línea que une a las cargas. En la parte superior de la figura 1 observamos las fuerzas de rechazo de dos cargas del mismo tipo. F12 representa la fuerza que sufre la carga q1 debido a la presencia de la carga q2. De forma similar, F21 es la fuerza sobre la carga q2 debida a q1. En la parte inferior de la misma figura mostramos fuerzas de atracción en cargas de distintos tipos. Debemos notar que hemos representado las cargas con círculos aunque debe sobreentenderse que son puntiformes.
c. Limitaciones de la ley de Coulomb: i. Su validez está limitada a las cargas puntiformes. De no ser puntiformes, no sería posible definir su separación ii. Las cargas deben estar en reposo relativo entre sí. d. Características de la fuerza electrostática: i. La fuerza electrostática actúa a distancia, como la fuerza gravitatoria, que se manifiesta aún cuando los cuerpos que la sufren no están en contacto mutuo ii. Cuando las cargas son varias y están distribuidas en el espacio, la fuerza sobre cada una de ellas es la resultante de la superposición detodas las fuerzas presentes debidas a cada una de las demás cargas. e. Características microscópicas de la materia: i. El modelo de la carga eléctrica, junto con sus propiedades, ha sido validado por observaciones y predicciones físicas, así como por otros fenómenos. Uno de ellos es la forma en que se presentan las reacciones químicas. A través de las leyes de Dalton podemos reconocer que la carga eléctrica permite explicar algunas propiedades de las reacciones químicas y deducir cómo está constituida la materia. El átomo, modelo físico de la materia, está compuesto por cargas positivas elementales, llamadas protones, almacenadas en un núcleo, y cargas negativas, llamadas electrones, orbitando a los núcleos ii. La carga eléctrica está cuantizada, independientemente de si es positiva o negativa. Esto significa que existe en paquetes discretos o unidades enteras. La carga negativa mínima posible es, precisamente, la del electrón, y tiene un valor de 1.6 × 10 19 C. El protón, por su parte, posee la carga positiva mínima posible, la cual tiene exactamente la misma magnitud que la del electrón. La magnitud de cualquier carga es un número entero de electrones o protones, sin embargo, el valor de la carga de estas partículas es tan pequeño que, desde un punto de vista práctico, podemos decir que la transferencia de carga es como un flujo continuo. iii. A pesar de poseer la misma carga, en magnitud, el protón y el electrón difieren notablemente en masa. Efectivamente, la masa del protón, mp, es unas 1840 veces mayor que la del electrón, me (mp = 1.673 × 10-27 kg, me = 9.11 × 10-31 kg). Por esta razón, la corriente eléctrica, que como veremos posteriormente, es el transporte de carga por un conductor, consiste esencialmente en el movimiento de los electrones. f. Propiedades adicionales del modelo:
Laboratorio deFisica III, (2011)
i. La carga no se crea ni se destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro ii. Debido a que cargas de distintos tipos se atraen, siempre que p arte de la carga de un cuerpo se transfiere a otro por fricción, hay una tendencia a la recombinación inmediata de esas cargas. Esta recombinación será más rápida cuanto mayor sea la conducción que los cue rpos ofrecen para que se efectúe. En condiciones de humedad ambiental e impureza de los materiales frotados, la recombinación es grandemente favorecida y ocurre instantáneamente iii. Creemos que el universo posee la misma cantidad de carga positiva que de negativa, por lo tanto, decimos que es neutro iv. Los protones, confinados en el núcleo del átomo, sufren fuerzas de repulsión debido a que poseen el mismo tipo de carga. Los neutrones, que son o tras partículas elementales de la materia y no poseen carga eléctrica alguna, se localizan en el núcleo de los átomos y proveen una especie de pegamento nuclear más fuerte que el rechazo electrostático de los protones, por lo que estos no logran escapar d e sus núcleos. La masa del neutrón es ligeramente mayor que la del protón.
DESARROLLO Para una total apropiación de los conceptos teoricos aprendidos en el curso, es necesario aplicarlos en la vida real, con lo cual se adqu iere conocimientos más profundos y detallados, esto es, comprobamos los principios basicos de la electrostática a través de la experimentación en el laboratorio. Esta experimentación se basó en la realización de prácticas tales como: 1. Fabricación de un electroscopio casero con materiales reciclables. 2. Análisis del campo eléctrico en función de las superficies equispotenciales. 3. procedimiento para cargar un cuerpo eléctricamente. 4. Generador de Van an de Graaff. A continuación se veran algunos apartes de la ejecución de estos experimentos:
1. Fabricación de un electroscopio casero con materiales reciclables El electroscopio es un instrumento que sirve para determinar la presencia o ausencia de cargas eléctricas de un cuerpo. Para esto, el cuerpo cargado se acerca o se pone en contacto a la esferita metálica, en esta situación las h ojas metálicas se abrirán. El electróscopio fue creado por William Gilbert [1] y aunque en la actualidad ya no se utiliza pues se han d esarrollado artefactos mucho más potentes y eficaces, parece ideal para
un experimento de física a realizar en una clase de laboratorio. ¿Cómo funciona el electroscopio? El electroscopio funciona cumpliendo la cualidad de fuerzas de atracción y repulsión entre cuerpos cargados eléctricamente así como la conductividad en los metales. En el ejemplo se tomará una barra cargada positivamente, para hacer funcionar un electroscopio se puede ejecutarlo por “contacto” o “inducción”. A) Por inducción.- Cuando la barra cargada positivamente se acerca a la bola de metal (sin tocarla), se producirá una inducción electrostática en el electroscopio. Los electrones serán atraídos por la barra trasladándose éstas a la bola de metal quedando las cargas positivas en las hojas, rechazándose entre si, por lo cual éstas se abrirán. Al alejar la barra del electroscopio, los electrones ubicados en la bola se trasladarán a las hojas quedando neutro dichas hojas, motivo por el cual éstas se cerrarán. B) Por contacto.- Cuando la barra cargada positivamente toca a la bola de metal, los electrones del electroscopio pasan a la barra creando en él una deficiencia de electrones quedando cargado positivamente; como quiera que
Cargas Electricas
ahora las láminas tienen cargas del mismo signo, se rechazarán y por lo tanto se abrirán. Al alejar la barra del electroscopio, éste quedará cargado positivamente (signo de la barra) y por lo tanto las hojas permanecerán abiertas (debido a la repulsión electrostática). ¿Cómo determinar el signo de una carga eléctrica empleando el electroscopio? Para ello en primer lugar hay que tener un electroscopio cargado cuyo signo se conoce. Supongamos que empleamos el e lectroscopio cargado positivamente. a) Si las hojas se alejan.- Las hojas se abren más debido al incremento de la fuerza electrostática y ésta debido al aumento de cargas positivas para lo cual los electrones del electroscopio han debido escapar a la barra producto de una atracción de cargas eléctricas (cargas de signo contrario) lo cual significa que la barra tendrá carga positiva.
Procedimiento para el montaje El montaje básico del electroscopio es colocar las laminillas en un extremo de la varilla conductora (gancho legajador) dispuestas una frente al la otra para que al ser cargadas puedan repelerse; aislando este sistema de la humedad del ambiente, pues ésta podría alterar los resultados, dejando el otro extremo de la varilla fuera del electroscopio, se cubre con una bola de papel aluminio.
b) Si las hojas se acercan ¿Cómo descargar un electroscopio cargado eléctricamente? Para descargar un electroscopio cargado negativa o positivamente, bastará conectarlo a Tierra; ya que ésta tiene un gran manatial de electrones, de tal manera que ganar o perder electrones no d ifiere la carga total de la Tierra.
Motivo del experimento En la actualidad, uno de los temas más frecuentes es la contaminación del medio ambiente y cómo podemos evitarla. Una de las soluciones más recomendadas es el reciclaje de las basuras, a través del cual podemos recuperar material que ya había dejado de ser útil. Por tal motivo, presentamos una buena alternativa de hacerlo. Se trata de la fabricación de un electroscopio con materiales que podemos encontrar sin salir de casa. Estos materiales son: tubo pvc de más de 4”, polietileno, gancho legajador de carpetas, tornillos pequeños, papel aluminio, silicona, entre otros. Ensamblados de tal manera que tenga las condiciones necesarias para la simulación de un verdadero electroscopio.
Figura 2 . Electroscopio comercial
Análisis del campo eléctrico en función de las superficies equispotenciales . Una superficie equipotencial es el lugar 2.
geométrico de los puntos de un campo escalar en los cuales el "potencial de campo" o valor numérico de la función que representa el campo, es constante. Las superficies equipotenciales pueden calcularse empleando la ecuación de Poisson. El caso más sencillo puede ser el de un campo gravitatorio en el que hay una masa puntual: las superficies equipotenciales son esferas concéntricas alrededor de dicho punto. El trabajo realizado por esa masa siendo el potencial constante, será pues, por definición, cero. .
Laboratorio deFisica III, (2011)
Figura 3: Cuando el campo potencial se restringe a un plano la intersección de las superficies equipotenciales con dicho plano se llaman líneas equipotenciales
En la experiencia determinamos y analizamos las líneas de campo eléctrico generadas alrededor de dos electrodos, mediante el trazado de las superficies equispotenciales producidas por los mismos, aprovechando el hecho de que las líneas de campo eléctrico y las superficies equispotenciales son perpendiculares en todo los puntos donde se intersecan. El objetivo de la práctica es dibujar las líneas de campo electrico que produce el dipolo (los dos electrodos) en el medio que lo rodea además de mostrar las propiedades que caracterizan este fenómeno.
Campo eléctrico El campo eléctrico (E), en un punto del espacio, lo podemos definir como la fuerza eléctrica que actúa sobre una carga de prueba situada en ese punto dividida por la magnitud de la carga de prueba. Esto lo podemos expresar como:
La magnitud del campo eléctrico producido por una carga es proporcional a la magnitud de la misma y disminuye con el cuadrado de la distancia. En presencia de un campo eléctrico una carga experimenta una fuerza dada por la ley de Coulomb.
Lineas de campo eléctrico Es posible realizar una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza, éstas son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las a bandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo, además las líneas de campo eléctrico solo indican que tan intenso o débil es un campo eléctrico en una región del espacio mas no su magnitud. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.
Propiedades de las lineas de campo eléctrico: Las propiedades de las líneas de campo se pueden resumir en: Donde; E: es el campo eléctrico F: es la fuerza eléctrica q: es la magnitud de la carga de prueba. Observemos que al igual que la fuerza, el campo eléctrico es una magnitud de carácter vectorial y su dirección es la igual a la dirección de la fuerza. El campo eléctrico producido por una carga puntual esta dado por:
De lo cual podemos afirmar que: Las cargas eléctricas producen campos eléctricos, al igual que la tierra produce un campo gravitacional.
1. El vector campo eléctrico es tangente a las líneas de campo en cada punto. 2. Las líneas de campo eléctrico son abiertas; salen siempre de las cargas positivas o del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas. 3. El número de líneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa es proporcional a dicha carga. 4. La densidad de líneas de campo en un punto es proporcional al valor del campo eléctrico en dicho punto. 5. Las líneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario en el punto de corte existirían dos vectores de campo eléctrico distintos. 6. A grandes distancias de un sistema de cargas, las líneas están igualmente espaciadas y son radiales,
Cargas Electricas
comportándose el sistema como una carga puntual.
Figura 4: Lineas de campo eléctrico Figura 5 . Lineas equipotenciales
Dipolo eléctrico Es una configuración de dos cargas eléctricas puntuales iguales y opuestas muy próximas una a otra. La carga total del dipolo es cero, a pesar de lo cual genera un campo eléctrico. La intensidad de ese campo está determinada por el momento dipolar, que viene dado por el producto del valor de las cargas por la distancia entre ambas. Los momentos dipolares pueden ser generados o “inducidos” por la influencia de campos externos, y emitir ondas electromagnéticas si el campo e xterno varía en el tiempo.
Materiales • • • • •
Multimetro Fuente de voltaje Electrodos Panel milimetrado Hoja milimetrada
Superficie equispotencial
Procedimiento
Es el lugar geométrico de los puntos de un campo escalar en los cuales el potencial de campo o valor numérico de la función que representa el campo es constante. Por su parte las líneas equispotenciales son perpendiculares a las líneas de campo eléctrico y el voltaje en dicha línea es constante. El voltaje aumenta en sentido contrario a las líneas de campo eléctrico y éste es un escalar.
Se realiza el montaje de la practica conectando la fuente de voltaje a los electrodos, luego se sitúan en el eje X del panel milimetrado a una distancia aproximadamente de 8cm como se muestra en el anexo.1; se vierte agua a un nivel considerable dentro del panel, para que este sea nuestro medio de perturbación. Se enciende la fuente de voltaje para que suministre energía a los electrodos, estos se comportaran como dos cargas puntuales, de signos opuestos y con la misma magnitud formando un dipolo eléctrico, que a pesar de ser su carga neta cero producen un campo eléctrico y una diferencia de potencial. Con el panel energizado fijamos el Terminal negativo del multimetro al electrodo negativo de la fuente, tomamos el Terminal positivo y lo desplazamos sobre el panel hasta encontrar un voltaje de 6.5V, anotamos la coordenada donde
Laboratorio deFisica III, (2011)
encontramos este valor en la hoja milimetrada auxiliar, repetimos el proceso hasta encontrar otros puntos que registraran ese mismo voltaje. Realizamos el mismo proceso para los voltajes de 7V y 7.6V, por ultimo unimos los puntos que presentaron el mismo voltaje, estas líneas son las superficies equispotenciales, y a partir de estas trazamos las líneas de campo eléctrico que producía el dipolo.
3.
Procedimiento para cargar positivamente una esfera metálica, por inducción.
La inducción eléctrica es un proceso que nos permite cargar un objeto aislado.
Carga inducida La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá 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; se crea así por inducción electrostática una superficie de carga positiva en la pared, que atraerá a la superficie negativa del globo).
la torta de resina queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, el tejido de lana queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque, al perder electrones (que tienen carga negativa), su carga neta resulta positiva.
Carga por inducción Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.
Carga por fricción En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más e xternos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en la resina que en la lana, y si se frota una torta de resina con un tejido de lana bien seco, se transfieren los electrones de la lana a la resina. Por consiguiente
Figura 6 . En (a) acercamos a la esfera una barra cargada negativamente. La presencia de la barra cargada polariza a la esfera al atraer las cargas positivas de ésta y rechazar las negativas. En (b) hacemos contacto con tierra por el lado de la esfera opuesto al de la barra. Esto permite a las cargas negativas abandonar la esfera. En (c) vemos que la esfera queda con carga positiva distribuida sobre su superficie. La inducción nos permite crear máquinas electrostáticas, como el generador Van der Graff, que tienen la capacidad de almacenar grandes cantidades de carga. Estos generadores han sido muy
Cargas Electricas
útiles como aceleradores de partículas en estudios de física nuclear
Ejecución del experimento •
•
•
En la primera parte sumergir en el vaso de faraday el cuerpo de experimentación, por ej. una varilla frotada, para registrar toda su carga, en el espacio sin campo. Repetir el procedimiento anterior con diversos objetos frotados con diferentes materiales y construir una tabla donde se registre el material usado, el material con el que lo froto y la carga que registro el electroscopio. Es decir carga por frotamiento. En una segunda parte del experimento se tuvo en cuenta un voltímetro y un tubo en forma de cilindro y cono en la punta, se utilizó una esfera de metal para traspasar la carga producida por voltímetro, representada y distribuida en el cilindro y cono respectivamente. Se tocó una vez con la esfera y se ingresó dentro del tubo de Faraday y se apuntó lo que marcó el electroscopio
Se tomo nuevamente el cascaron esférico conductor previamente neutralizado se coloco en contacto directo con la punta del vaso conico cargado negativamente, se analizo el cascaron en el tubo de faraday y este mostro que el cascaron tenia una carga neta negativa.
SEGUNDO CASO
Carga neta del vaso conico : positiva (+) Lineas de campo: saliendo del vaso conico. Parte A: Se conecto el vaso conico conductor al generador proporcionando al vaso una carga neta (+), luego se tomo la esfera hueca conductora anteriormente neutralizada y se acerco al vaso sin hacer contacto con este, se tomo el polo a tierra y con este se toco el cascaron, al analizar el cascaron en el tubo de faraday arrojo como resultado una carga negativa.
Parte B: Ahora con el cascaron esférico nuevamente neutrlizado se acerca al vaso conico con carga (+) y se coloca en contacto directo con este. Posteriormente se analiza en el tubo de faradayel cual indica una carga positiva (+) en la superficie del cascaron.
En esta parte se experimento la carga por inducción, para ello se realizaron dos casos:
PRIMER CASO
Carga neta del vaso conico: negativa (-) Lineas de campo: se dirigen hacia la superficie del vaso conico.
Parte A: Se conecto el vaso conico al generador y se le proporciono una carga neta negativa, posteriormente se le acerco a la punta del cono (que tiene una mayor densidad de carga) un cascaron esférico conductor de carga neutra sin tocarlo, luego el cascaron fue tocado con un polo a tierra y se llevo a analizar en el tubo de farady donde dio como resultado que el cascaron esférico quedo con una craga neta p ositiva.
Parte B:
Figura 7. Tubo de Faraday
Laboratorio deFisica III, (2011)
estado de carga neutro dejando al cascaron con mas electrones que protones, rompindo la naturaleza de carga neutra que este poseía y dejándolo con una carga neta en su superficie negativa.
RESULTADOS
PRIMERA PARTE Los siguientes datos fueron tomados del frotamiento de algunos materiales en una frecuencia determinada de 10 segundos. En ellos observaremos su naturaleza.
MATERIAL
Segundo Caso:
MATERIAL DE PRUEBA TELA
CABELLO PAPEL
Nylon
0
0
PVC
6.4 (-)
3.2 (-)
0.4 (-)
Polipropileno 4 (-)
0.4 (-)
0.2 (-)
Acrílico
12 (-)
2
(-)
2.8 (+)
Vidrio
0
0
(±)
0 (-)
(±)
(±)
(±)
0
(±)
SEGUNDA PARTE Primer Caso:
Carga neta del vaso conico: negativa (-) Lineas de campo: se dirigen hacia la superficie del vaso conico.
Parte A: Se deduce que al acercarse que al acercarse el cascaron a la punta del cono que estab generando un campo eléctrico que influyo sobre las cargas positivas (+) y las negartivas (–) del cascaron haciendo que estas se reorganizaran de tal manera que las cargas positivas (+) son atraídas por el cono y las negativas (-) repelidas, y al tocar el cascaron con el polo a tierra en la parte donde se encontraban las cargas negativas estas fueron absovidas por el polo a tierra dejando a la esfera hueca con carga neta poitiva en su superficie.
Parte B: Ahora el cascaron queda con una carga neta negativa, esto es debido que al colocarse en contacto la esfera hueca y el vaso con ico este le cedió electrones al cascaron con el fin de buscar un
Carga neta del vaso conico : positiva (+) Lineas de campo: saliendo del vaso conico. Parte A: Indica que al acercase el cascaron al vaso que esta generando un campo eléctrico provoco que las cargas en el cascaron se reorganizaran de tal forma que las cargas negativas son atraídas por el vaso mientras que las positivas se repelen, y al ser puestas en contacto con el polo tierra este le transfirió electrones al cascaron dejándolo entonces con mas cargas negativas que positivas por lo que la carga neta es negativa (-) en su supeficie.
Parte B: Indica que al acercase el cascaron al vaso que esta generando un campo eléctrico provoco que las cargas en el cascaron se reorganizaran de tal forma que las cargas negativas son atraídas por el minmo mientras que las positivas se repelen, y al ser puestas en contacto con el polo tierra este le transfirió electrones al vaso dejando al cascaron con mas cargas positivas que negativas por lo que la carga neta es positiva (+) en su supeficie.
4. Generador de Van de Graaff El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.
Cargas Electricas
Descripción El generador consiste en una cinta, transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por inducción en la cinta, ya que la varilla metálica o peine, esta muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir energía. Historia
Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff [2] en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931 Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos. El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante, mientras que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.
CONCLUSIONES En concordancia con lo anterior podemos afirmar que: El estudio de la electrostática esta enfocado en cargas puntuales en reposo. De aquí se puede concluir: • •
•
•
• •
Un electroscopio nos ayuda a determinar si un cuerpo esta cargado eléctricamente o no. Existen diversas maneras de cargar un cuerpo eléctricamente: por contacto, por influencia, por rozamiento, etc. La fabricación de un buen electroscopio es posible con materiales reciclables, todo es cuestión de saber los principios básicos de su funcionamiento y poner a volar la imaginación. Para cada superficie equispotencial existe un único voltaje y que este es constante a lo largo de la superficie. La diferencia de potencial es una magnitud escalar. El potencial eléctrico aumenta en sentido contrario a las líneas de campo eléctrico.
Laboratorio deFisica III, (2011)
• • • •
•
•
•
•
•
Las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las superficies equispotenciales. Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan. Para un dipolo eléctrico las líneas de campo eléctrico salen de la carga positiva y llegan a la negativa. Se comprobó que cada superficie de prueba, en el experimento de carga de un cuerpo, cargó o arrancó electrones de los materiales frotados de manera distinta, por ejemplo en el caso del acrílico, cuando se frotó con la tela y con cabello, el material gano electrones, y cuando se frotó con el papel cedió electrones. En el caso del Nylon y el vidrio, la carga cedida o ganada fue tan mínima o incluso cero, lo quiere decir que estos materiales deben ser calentados a altas temperaturas para que puedan ceder o ganar electrones. El tubo de Faraday por su forma cilíndrica concentra de manera uniforme la carga y por eso se utiliza como base para el experimento de carga electrostática. Para la segunda parte se concluye lo siguiente: Mientras más fina sea la superficie, más carga de electrones se van a concentrar, este es el caso de los satélites y los pararrayos, en el caso de los satélites, gracias a su forma parabólica, la información que llega al satélite se concentra en el foco y a sí se concentra en un punto y se distribuye mejor. En el caso de los pararrayos que tienen forma de punta, porque las cargas que lleva el rayo busca las partes más altas y finas. Entonces se concluyó que en la punta del cono se concentró más la carga electrostática.
BIBLIOGRAFIA •
SERWAY, Raymond; BEICHNER, Robert; FISICA para Ciencias e Ingenieria Quinta Edición Tomo II, Editorial McGraw-Will, Bogota, 2002.
•
• •
•
SEARS, Francis; ZEMANSKY, Mark; Física Universitaria con Física Moderna Vol. 2, Editorial Pearson Addison Wesley. México. 2005. WOLFSON, Richard, PASCHOFFM, Jay M. física para ciencias e ingeniería. Un enfoque moderno. Oxford Press University, Mexico, 1996.
•
FEYMAN, R. LEITHON, R. SANDS, M. electromagnetismoy materia. Wilmintong, Addison Wesley Iberoamericana, 1987.
Michel Valero,FISICA FUNDAMENTAL 2, grupo editorial NORMA educativa, Diciembre de 1991, ISBN 84-8276-367-9 Revista Inge-CUC/ vol. 5/ Octubre del 2009/ Barranquilla – Colombia/ ISSN 0122-6517
