Revista Colombiana Colombiana de Física, Física, Semestre 1, Año 2013
FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Electrostatic phenomena Ingrid Jerez A.1, Camilo A. Correa R.2, Yeimy Neira3, Erick Moreno4 1
Ingenieria Industrial-Universidad Industrial-Universidad Central
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Fecha práctica: Enero 31 de 2013; Fecha entrega de informe Febrero 07 de 2013
Resumen En la práctica de Fenómenos Electrostáticos lo que buscamos básicamente es comprobar que existen solo dos tipos de carga eléctric eléctrica, a, y así, determina determinarr su comportamien comportamiento to como una función función de la cantidad cantidad de frotamien frotamiento to y separació separaciónn de los respectivos cuerpos cargados. Utilizando para esto varios tipos de materiales, que en principio desconocemos si son aislantes o son conductores.
Palabras claves: Carga eléctrica, Aislantes, Conductores.
Abstract In the electrostatic phenomena’s practice which we see that there are basically only two types of electric charge, and so identify the behavior as a function of the amount of friction and separation of the respective charged bodies. Using various types of materials that, in principle unknown if they are insulators or conductors.
Keywords: Electric charge, Insulators, Conductors. © 2012 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.
1.
Introducción
partes de sus superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre sí. En el desa desarr rrol ollo lo de la prác prácti tica ca tamb tambié iénn se pret preten ende de evidenciar que al ser cargada una de las barras, llevándola al acercamiento de la otra barra no cargada ubicada sobre una base con un eje rotativo, se demuestra que al acercarle la barra cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la barra no cargada, emigr emigran an hacia hacia el lado lado lejano lejano de esta; esta; obteni obteniend endoo como como resultado, que el lado lejano de la barra no cargada se carga nega negati tiva vame ment ntee con con carg cargaa po posi siti tiva va,, la barr barraa osci oscila la acercándose a la otra porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquella y la propia barra es mayor, de modo que a menor distancia la fuerza actúa con mayor intensidad. Finalm Finalment entee en este este labora laborator torio io se tiene tiene como como objeti objetivo vo observ observar ar los fenóme fenómenos nos que se pue pueden den produc producir ir entre entre cuerpos cuerpos cargados cargados (positivam (positivamente ente y negativam negativamente) ente) y no cargados, a estos fenómenos denominaremos fenómenos de
Debemos comprender que la mayoría de los objetos ocultan grandes cantidades de cargas eléctricas, que en su mayor parte se evidencian cuando interviene la fricción por parte de dos elemen elementos tos,, de manera manera que si realiz realizamo amoss cierto cierto número número de frotaciones frotaciones (con un tipo de tela) aplicada a una de las barras puede que se produzca una conservación de la carga donde cada electrón añade carga negativa a la tela y una cantidad igual de carga positiva queda atrás de la barra. El presente informe contiene experiencias demostrativas del campo de la electrostática que nos permitirán conocer, por ejemplo, ejemplo, la diferencia diferencia que existe existe al frotar frotar uno de los tres tipos tipos de objeto objetoss con tres tres difer diferent entes es clases clases de tela, tela, que posteriormente nos permitirá descubrir si es posible transf transferi erirr electr electrone oness de un materi material al a otro otro por simple simple contacto, en este caso si uno de los los tres objetos (barras), (barras), es buen conductor, la carga se dispersaría hacia todas las 1
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carga. Conjuntamente se tiene como objetivo general observar el comportamiento de cuerpos eléctricamente cargados y su interacción con otros cuerpos. Para ello se plantean definidamente, identificar las distintas formas de electrización de los cuerpos (contacto, inducción y frotamiento) y describir cada una de las experiencias; registrándolas en un informe cualitativo de la situación
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. 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. [3]
2. Marco teórico La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia. Se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo o con movimiento despreciable a efectos de que casi no se observan fenómenos magnéticos por parte de esas cargas. El desarrollo de la teoría atómica permitió aclarar el origen y la naturaleza de los fenómenos electromagnéticos; la noción de fluido eléctrico, introducida por Benjamín Franklin (1706–1790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios de siglo al descubrirse que la materia está compuesta íntimamente de átomos y éstos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas.[1]
2.4 Electroscopio El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma. El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobreen contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, 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 y las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. [2]
Tipos de electrización de cuerpos
2.1. 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.
3.
Montaje, procedimiento y tabla de datos
3.1. Montaje.
2.2. Por frotamiento
Para la realización del montaje de esta práctica por un lado tenemos el kit de electrostática, el cual esta constituido por cuatro varillas de diferente material como PVC, vidrio, metal y acrílico, además de coretes de paño verde, seda y piel de conejo, los cuales nos van a permitir determinar la carga neta de las varillas por el método de inducción al frotar tanto el paño, la seda y la piel de conejo con las diferentes varillas.
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 al lápiz.
Por otra parte tenemos el electroscopio el cual es una estructura esférica que posee un filamento metálico que cambia de posición cuando está cargado eléctricamente a través del método de carga por contacto.
2.3. Por inducción Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo 2
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3.2. Procedimiento
Esto se debe a que la barra cargada al hacer contacto con el cuerpo humano y este a su vez con el suelo haciendo a las veces de polo a tierra produce que la barra pierda su carga.
El procedimiento de la práctica realmente es muy sencillo, para el método de inducción consiste principalmente en frotar las varillas con los deferentes materiales como la seda, paño y piel de conejo.
4.1.4. Después de frotar la barra de plástico con la piel de conejo, colóquela sobre el soporte aislante. Enseguida acerque la otra barra de plástico igualmente frotada por el lado que froto la primera barra, ¿Que sucede?, ahora acérquela por el lado no frotado de la primera barra ¿Que sucede? Explique
3.3 Tabla de resultados.
Para la primera parte las barras se repelen ya que tienen cargas iguales. En la segunda parte no ocurrió nada ya que las barras son de PVC no son conductoras y por ende focalizan su carga y en este caso el otro extremo de la barra no está cargado por esa razón no pasa nada
4.1.5. Repita el procedimiento anterior, pero utilizando las dos barras de vidrio y después las dos barras metálicas. ¿Qué sucede? Explique Con los metales no pasa nada ya que debido a su distribución molecular la carga se distribuye libremente por la barra metálica. En el vidrio se obtuvo una leve atracción pero con una frotación exagerada
4.1.6. Describa y lleve a la práctica un procedimiento que demuestren que solo existen dos tipos de carga eléctrica. La práctica que se puede realizar es la de cargar dos barras idénticas del mismo tamaño y material con la misma superficie, esto deja expuesta solo dos posibilidades, por una parte se pueden atraer y por la otra repeler lo cual demuestra que solo existen dos tipos de carga que interactúan. Teóricamente si son idénticas y están cargadas de la misma manera se deberían repeler puesto que poseen la misma carga independientemente si es negativa o positiva.
4. Gráficas y Análisis de Resultados 4.1. Concepto de carga eléctrica.
4.2. Carga por inducción
4.1.2. ¿Existen diferencias en el comportamiento básico del metal y el plástico?, ¿A qué se debe?
4.2.1. ¿Por qué s e deflecta cuando se acerca la barra de pastico?, ¿Qué ocurre si se acerca y se aleja la barra cargada del electroscopio?
Si hay diferencia puesto de el plástico no es conductor y el metal si lo es y esto se debe a que hay espacios en la estructura atómica del metal el cual permite que los electrones circules libremente por todo el materias y esto permite que la carga de focalice en un punto especifico y por ende no atrae los papeles.
Entre más cerca está la barra carga al electroscopio mas se deflacta la aguja del mismo y a medida que se aleja la barra del medidor la aguja de este vuelve proporcionalmente a su estado inicial debido a que es un método de carga por inducción.
4.1.3. ¿Cómo explica lo que sucedió? 3
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4.2.2 ¿Qué tipo de adquiere el electroscopio?
En el caso de materiales como el vidrio y el plástico se pudo observar que el cuerpo solo se cargaba en la zona frotada, esto podía observarse porque los pedazos de papel solo se adherían a esa zona. Las distancias a las que se presentaban atracción o repulsión de objetos son muy pequeñas, lo que indica el método de frotamiento no produce grandes cantidades de carga para lograr un efecto más fuerte.
Al momento de hacer el ejercicio nos dimos cuenta que se hace un circuito cerrado entre los tres elementos (mano, barra de PVC y electroscopio) esto hace que la carga de neutralice y no se altere la aguja del electroscopio y al quitar la mano antes que la barra, la aguja se deflacta por efecto de las cargas
Imagen del electroscopio
6. Anexos
4.2.3 Lleve a cabo de nuevo lo indicado en el literal anterior, pero con una barra de vidrio.
CUESTIONARIO. 8.1 Si usted carga un peine de bolsillo, al frotarlo con una bufanda de seda, ¿Pude determinar si el peine es de carga positiva o negativa?
4.3 Carga por contacto. 4.3.1 ¿Cómo podría averiguar el tipo de carga de cualquier otro tipo de material que no sea vidrio no plástico?
En el proceso de frotamiento se transfiere una pequeña carga de un cuerpo a otro, alterando la neutralidad eléctrica de cada uno.
El vidrio es cargado positivamente por el electroscopio mientras que la varilla de PVC carga negativamente al electroscopio.
8.2 ¿Por qué razón un disco fonográfico atrae polvo exactamente después de que se ha frotado para limpiarlo? Porque el disco al momento de frotarlo genera electricidad estática, lo que atrae al polvo, además cuenta el material del disco y el material con que fue limpiado para hacer que atraiga o repela al polvo.
4.3.3 Anotar observaciones y explicar. Al cargar el electroscopio y acercarle una barra no cargado se puedo observan que no tiene perturbación la aguja del electroscopio. Puede ser por dos razones 1- el electroscopio esta no está aislado de la tierra y hace polo con la misma lo que hace que la carga se transfiera inmediatamente. 2- como las barras no están cargadas, al hacer contacto con el electroscopio no tiene un intercambio de electrones por esa razón no se produce alteración alguna.
8.3 ¿Por qué los camiones que transportan líquidos inflamables arrastran una cadena por el suelo? Puesto que el camión está en constante fricción con el aire, el camión queda cargado positivamente y para que no se descargue al momento de transportar estos fluidos y genere una explosión puesto que las llantas son de caucho, se le adapta una cadena para que se descargue hacia la tierra y no dentro del camión.
5. Conclusiones Se pudo comprobar que existen dos tipos de carga debido a que los materiales frotados se repelían o se atraían según la naturaleza del material con el que se frotaba. Sin embargo se pudo observar que los materiales se encontraban en estado neutro y al ser frotados se alteran su estado de carga. Se pudo establecer que hay dos formas en que un material puede quedar cargado, por exceso de carga o por ausencia de carga. Encontramos que el metal no atraía o repelía materiales cargados, esto se debe a que al frotar el metal las cargas se distribuyen por el cuerpo metálico, haciendo que lleguen a nuestra mano y así formar un polo a tierra por medio de nuestro cuerpo.
8.4. ¿Puede inducirse la carga en un aislador del mismo modo que en un conductor? No porque es un aislador, está diseñado para que los electrones no fluyan por él.
8.5 Una barra cargada atrae partículas de polvo de corcho seco que, después de tocar la barra, frecuentemente se separan de ella con violencia. Explicar este comportamiento. 4
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[3] Física CONCEPTUAL. 9a ed. ISBN: 970-26-0447-8, México 2004
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo (neutro, sin cargas). Cuando el cuerpo electrizado se acerca al cuerpo neutro, hay una interacción eléctrica entre las cargas del objeto electrizado y las del cuerpo neutro y esta interacción es la que causa esa reacción
8.6 Al caminar con rapidez sobre una alfombra, con frecuencia se experimenta un chispazo al tocar la manija de la puerta. ¿Cuál es la causa de esto? Si se camina sobre un tapete el cuerpo recoge electrones y cuando toca algo metálico, como es la manija de la puerta o cualquier otra cosa con carga positiva, la electricidad produce una pequeña descarga entre el objeto y sus dedos.
8.7 ¿Cómo determina la carga que hace deflactar la aguja?, ¿Cómo haría si únicamente tiene el peine? Acercamos una carga positiva la del peine cargado y la carga positiva hace deflactar la aguja mucho más que cuando se le acerca una carga negativa puesto que hace el efecto contrario unir la aguja ya que queda cargado positivo el electroscopio y las láminas de negativo se juntan más.
8.8 ¿Se cumple la ley de la conservación de la carga? No, no se cumpliría la ley de conservación por que la carga neta al principio del experimento es igual a la carga final del mismo. Tal vez al retirar la varilla de plástico y al tenerla sujetada con la mano la carga se iría por nosotros ya que nosotros somos muy buenos conductores.
8.9 ¿Cuál es la carga de la varilla? Si al acercar la varilla y las hojas se cierran es porque la varilla está cargada positivamente y entonces se repelen entre ellas.
6. Referencias [1] FÍSICA para ciencias e ingeniería con Física Moderna Volumen 2. 7a ed. C.P.05349, México, D.F. [2] Electricidad y magnetismo Edward M. Purcell. Pagina 315. (1988). 5
