INFORME FISICA N°01

INTRODUCCION En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número descargas positivas y negativas. Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie tribo-eléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie tribo-eléctrica.

Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente :Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera, ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.

Se sabe que: 1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga. 2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga total o neta no cambia. 3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen. 4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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OBJETIVOS

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Observar la presencia de la fuerza entre cargas eléctricas.

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Deducir experimentalmente la existencia de los dos tipos de carga eléctrica (positiva y negativa).

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Electrizar materiales por frotamiento, frotamiento , conducción e inducción.


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FUNDAMENTO TEORICO Se dice que un cuerpo esta electrizado cuando después de ser frotado con otro material adquiere la propiedad de atraer a otros cuerpos más livianos. Las primeras observaciones sistemáticas de objetos electrizados fueron realizados por los griegos 600 a.c. sin embargo se necesitaron muchos años para que dichas observaciones se hicieran cuantitativamente, Charles Coulomb logra expresar matemáticamente la interacción eléctrica entre cuerpos electrizados. I.

CARGA ELÉCTRICA: es una propiedad fundamental de algunas partículas subatómicas (no es más que pérdida o ganancia de electrones) 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.

II.

CAMPO ELÉCTRICO: es un campo físico que es generado por partículas cargadas, pero a su vez también afecta a estas, es decir una partícula cargada generara un campo eléctrico pero dicha partícula puede ser influenciada o afectada por otro campo eléctrico generado por otra partícula que puede estar equidistante de esta.

III.

FORMAS PARA ELECTRIZAR UN CUERPO: Al observar lo que sucede cuando frotamos con nuestra ropa una regla plástica y la acercamos a las hojas de un cuaderno o al “hilo” de agua que cae por una llave de agua, o cuando notamos una chispa al tocar a una persona luego de caminar por una alfombra en un día de verano, entre otros ejemplos, podemos inferir que la materia se puede electrizar. Un cuerpo eléctricamente neutro se electriza cuando gana o pierde electrones. Existen tres formas básicas de modificar la carga neta de un cuerpo: electrización por frotamiento, contacto e inducción. En todos estos mecanismos siempre está presente el principio de conservación


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de la carga, que nos dice que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solamente se transfiere de un cuerpo a otro.

1. FROTAMIENTO. En la electrización por fricción, el cuerpo menos conductor saca electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo quedando cargado negativamente y el que pierde electrones queda cargado positivamente. 2. CONTACTO. En la electrización por contacto, el que tiene exceso de electrones (carga –) traspasa carga negativa al otro, o el que tiene carencia de ellos (carga +) atrae electrones del otro cuerpo. Ambos quedan con igual tipo de carga. 3. INDUCCIÓN. Al acercar un cuerpo cargado al conductor neutro, las cargas eléctricas se mueven de tal manera que las de signo igual a las del cuerpo cargado se alejan en el conductor y las de signo contrario se aproximan al cuerpo cargado, quedando el conductor polarizado. Si se hace contacto con tierra en uno de los extremos polarizados, el cuerpo adquiere carga del signo opuesto.

IV.

FUERZA ELÉCTRICA: Dos cargas eléctricas del mismo signo se repelen, mientras que si son de signos contrarios se atraen. Esta fuerza eléctrica de atracción o repulsión, depende de las cargas eléctricas y de la distancia entre ellas.

V.

LA LEY DE COULOMB: Las primeras experiencias que permitieron cuantificar la fuerza eléctrica entre dos cargas se deben al francés Charles Coulomb, en el año 1785. A partir de sus resultados, Coulomb enunció una ley que describe esta fuerza, de atracción o de repulsión, la que es conocida como ley de Coulomb, y que es un principio fundamental de la electrostática.


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Es importante notar que esta ley solo es aplicable al caso de cargas en reposo respecto de un sistema de referencia (la sala de clases, por ejemplo) que se encuentra en un medio homogéneo e isótropo. La ley de Coulomb sostiene que: la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales (q1 y q2), separadas una distancia r, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, es decir, va disminuyendo rápidamente a medida que se alejan las cargas entre sí. La ley de Coulomb se puede expresar como: donde la fuerza sobre q2, debido a q1, tiene la dirección del vector unitario que coincide con la línea recta que une el centro de ambas cargas, cuyo sentido podrá ser atractivo o repulsivo dependiendo del signo de las cargas. K es la constante de proporcionalidad conocida como la constante de Coulomb, siendo su valor aproximado en el SI de 9 x 109 Nm2/C2. También es posible calcularla como: K = 1 /4πεO, en que εO se denomina permitividad eléctrica en el vacío y su valor en el SI es de 8,85 x 10-12 C2/Nm2. Es importante destacar que en la ley de Coulomb solo se considera la interacción entre dos cargas puntuales a la vez; la fuerza que se determina es aquella que ejerce una carga q1 sobre otra q2, sin considerar otras cargas que existan alrededor. Además, debemos tener en cuenta que el signo de las cargas nos indicará si la fuerza es de atracción (cargas con distinto signo) o de repulsión (cargas con igual signo). El sentido y dirección de la fuerza neta se infiere a partir del diagrama de fuerzas. Para resolver los ejercicios, conviene que tengamos presente las observaciones anteriores.


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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL I.

MATERIALES Y EQUIPOS:

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sorbetes plásticos.

Globos.





Papel higiénico.



Papel metálico.



Un metro de hilo.



Una barra de plastilina.

II. 2.1.

PROCEDIMIENTO: FROTAMIENTO a. Recortar pequeños trocitos de papel y situarlos sobre la mesa. b. Tomar un sorbete de plástico por un extremo y aproximarlo a los trozos de papel, observando que no son atraídos por el sorbete. Repetir esta operación con la barra de vidrio, obteniéndose el mismo resultado. No son atraídos porque no hay fricción entre ellos.

c. Tomar el sorbete por un extremo, y frotarlo enérgicamente con el papel higiénico y luego aproximarlo a los trocitos de papel, observando como estos son atraídos. Repetir la misma INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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operación con la barra de vidrio y anote todas sus observaciones. Estos son atraídos porque

la fricción que existen entre ellos puesto

Que al frotar el soporte con el papel

2.2.

PÉNDULO ELECTROSTÁTICO

a. Construir un péndulo electrostático según la figura. b. Tomar un sorbete y aproximar un extremo al péndulo. Observar lo sucedido. Repetir con la barra de vidrio. Observamos que no sucede nada con el péndulo ya que el globo y la barra de vidrio no están cargados.

c. Frotar un sorbete con papel higiénico, luego tocar con este la esfera del péndulo. Observar lo sucedido. Repetir con la barra de vidrio. Note sus resultados. Pues observamos que el sorbete al frotarse con el papel higiénico queda cargado negativamente y al acercarlo al péndulo este reaccionara atrayéndose al sorbete, del mismo modo la barra de vidrio también se cargo y al acercarlo al péndulo ya descargado anteriormente también lo atrae. INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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d. Descargue el péndulo eléctrico tocando su superficie metálica con la mano (realice esta operación cada vez que se pida descargar el péndulo). Con la varilla previamente friccionada, toque nuevamente el péndulo. Luego acerque el mismo sobre un sorbete cargado. ¿Que sucede con la esfera cargada con el papel metálico? Se desplaza hacia el sorbete y después hacia la barra de vidrio y así sucesivamente .Los objetos metálicos también se pueden electrizar siempre que se tome la precaución de no tocarlos para evitar que se deselectricen. Se puede confirmar electrizando la varilla metálica de un destornillador ( normalmente el mango es de un material aislante) o la esfera metálica de una maquina electrostática como las que hay en el laboratorio. En todas las experiencias se puede comprobar que la intensidad de las fuerzas eléctricas disminuye rápidamente con la distancia.

2.3.

DIFERENTES CLASES DE CARGAS a. Descargue el péndulo eléctrico. b. Frotar e sorbete de plástico con el papel higiénico y tocar la esfera del péndulo con un extremo. Intentar aproximar de nuevo el sorbete del péndulo. Observar y anotar lo sucedido. Solo unos segundos se unirán per al cabo de unos segundos se alejaran de ella. La atracción inicial se explicara mas adelante, la repulsión siguiente es debido a una fuerza aparecen simplemente cuando dos cuerpos se electrizan del mismo modo.

c. Frotar inmediatamente después de la barra de vidrio con el papel y aproximarla al péndulo. Observar y anotar lo sucedido. La barra de vidrio se carga, en todos los casos los objetos frotados adquieren cargas de signo contrario, por lo tanto se atraen.


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2.4.

ELECTROSCOPIO ELEMENTAL.

a. Efectuar la construcción del electroscopio como se muestra en la figura.

b. Tomar un sorbete por un extremo, frotarlo con el papel higiénico y tocar el extremo libre del electroscopio. Anote sus resultados. No sucede ninguna reacción por parte del globo y la cartulina, ya que la distancia es grande para que los protones y electrones se atraigan y generen movimiento.

c. Repetir el experimento tocando el sorbete previamente frotada la parte metálica del electroscopio repetidamente y anotar el resultado observado. Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (numero de electrones = numero de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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carga negativa. Por lo que al tocar el globo con el papel ilumino previamente frotando se produce una electrización por contacto y s i lo acercamos lo suficiente a la parte metálica genera un movimiento de atracción por parte de la parte metálica hacia el globo.

2.5.

PODER DE LAS PUNTAS

a. Construir el siguiente equipo según la grafica, siendo la flecha de papel metálico. b. Cargar la varilla y acercar a la flecha. Note sus observaciones. La barra se ha cargado negativamente por lo que repelara a los electrones de la flecha de aluminio.

c.

Cargar un sorbete acercar a la flecha. Anote sus resultados. El sorbete se ha cargado positivamente lo que provoca que los electrones de la flecha se redistribuyan y organizan de modo que en la punta se encuentran las cargas positivas y en el otro extremo la otra carga.

d. ¿Por qué la flecha de papel metálico, perpendicularmente a la superficie cargado?

se

orienta

En las puntas de los cuerpos cargados existen una gran densidad eléctrica por su superficie muy pequeña y su carga grande. Luego INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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podemos decir que la descarga por convección se produce en las puntas pues allí existe una gran densidad eléctrica.

2.6.

Conducción de la electricidad.

a. Construir un electroscopio. b. Cargar un electroscopio eléctricamente. c.

Colocar el sorbete sin frotarlo en la parte superior. Anote sus resultados. Si acercamos el globo al electroscopio, la carga negativa será atraída hacia el otro extremo mas cercano del globo, mientras que la carga positiva se acumulara en el otro extremo, es decir que se distribuirá en la superficie del globo y las pequeñas hojas de papel metalico se abrirán conforme vayamos acercando el globo al electroscopio de modo que si comenzáramos alejarlo la hojas de papel metálico volverían a cerrarse ya que inicialmente debido al frotamiento estas se habían cargado.

d. Frotar la barra de vidrio con la seda tocar al telescopio. ¿ Como queda cargado el telescopio? INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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Cuando se frota una barra de vidrio con seda, el vidrio queda cargado positiva y la seda negativa, de modo que al hacer contacto se produce electrización por contacto los dos extremos libres del electroscopio quedaron cargados positivamente y como las cargas de un mismo signo se rechazan las hojas del telescopio se separan. Si ahora alejamos la barra, las cargas positivas y negativas del electroscopio vuelven a redistribuirse, la fuerza de repulsión entre las hojas desaparece y se juntan nuevamente.

¿Qué pasa si tocamos con un dedo el extremo del electroscopio mientras este se acerca de la barra de vidrio cargado? La carga negativa acumulada en ese extremo pasara a la mano por lo tanto el electroscopio quedó cargado positivamente. Debido a estos las hojas no se juntan cuando alejamos la barra de vidrio.

III.

CUESTIONARIO: 1.- ¿Que es el electróforo y como se pueden realizar experimentos con este instrumento? Es un generador de electricidad estática de tipo capacitivo formado por un condensador de plato simple, operado manualmente. Produce cargas electrostáticas mediante un proceso de inducción electrostática. El objetivo del electróforo es cargar positivamente un disco de material conductor. Se usa para separar cargas de la materia neutra. Una vez cargado, si tocamos con él a un objeto aislado podemos traspasarle su carga. Si frotamos con una piel de gato una lámina de plástico inicialmente neutra (con igual número de cargas positivas y negativas), la lámina se carga. Debajo de la lámina de plástico podemos situar una lámina de metal (aluminio) que actúa potenciando los efectos.


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2.- ¿Que es un electrómetro y como se pueden realizar experimentos con este instrumento? Es un instrumento eléctrico para medir la carga eléctrica o diferencia de potencial eléctrico. Hay muchos tipos diferentes, que van desde instrumentos históricos mecánicos hechos a mano a los dispositivos electrónicos de alta precisión. Electrómetros modernos basados en la tecnología de tubo de vacío o de estado sólido se pueden utilizar para hacer las mediciones de voltaje y la carga con corrientes de fuga muy bajas, hasta 1 femtoampere. Consiste en una caja metálica en la cual se introduce, debidamente aislada por un tapón aislante, una varilla que soporta una lámina de oro muy fina o una aguja de aluminio, apoyada en este caso de tal manera que pueda girar libremente sobre una escala graduada. Al establecer una diferencia de potencial entre la caja y la varilla con la lámina de oro (o la aguja de aluminio), esta es atraída por la pared del recipiente. La intensidad de la desviación puede servir para medir la diferencia de potencial entre ambas.

3.- Investigue como se puede obtener la electricidad estática en grandes cantidades. A continuación vamos a mostrar un ejemplo de cómo se puede producir las concentraciones de electricidad estática en el espacio. Su desarrollo puede ser parecido a como, aquí en la Tierra se producen las tormentas eléctricas, sólo que de forma seca (sin agua). Aquí los protones y electrones se acumulan por separado, aunque no siempre lo puedan hacer en la misma posición, como podemos ver en la figura. Las descargas se producen por la entrada en contacto entre las dos clases de partículas eléctricas de distinta polaridad. Primero entre ellas se establece una comunicación previa de tanteo que polariza la propia carga antes de producirse la verdadera descarga. Además de las descargas que se producen a tierra, hay otras que se desarrollan entre nubes de distinta polaridad, que son las que producen la mayor parte de los relámpagos.


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4.- ¿Qué problemas ocasionaría las descargas de cargas estáticas a las personas y equipos electrónicos? De 5 ejemplos 1.

Componentes electrónicos

Muchos componentes electrónicos, en especial los dispositivos semiconductores, son extremadamente sensibles a la presencia de la electricidad estática y pueden ser dañados por una descarga electrostática.

2.

Industria química

Las descargas electrostáticas pueden resultar muy peligrosas en lugares donde se trata con sustancias inflamables. Una pequeña chispa es capaz de iniciar la ignición de mezclas explosivas con consecuencias devastadoras. Es el caso de las fábricas que trabajan con sustancias en polvo en presencia de materiales combustibles o explosivos.

3.

Exploración del espacio

Debido a la humedad extremadamente baja que hay en el medio extraterrestre, es posible que se produzcan grandes acumulaciones de cargas estáticas que son un peligro importante para los dispositivos electrónicos que se utilizan en los vehículos espaciales. También representa un riesgo para los astronautas, el hecho de caminar sobre un terreno tan seco, como lo es el de la Luna o el de Marte, provoca la acumulación de una cantidad significativa de cargas eléctricas que puede provocar descargas electrostáticas capaces de dañar los aparatos electrónicos.

4.

Operaciones de repostaje

Si se produce una descarga electrostática en presencia de combustible y su voltaje es suficientemente grande, puede provocar la ignición de los vapores que se desprenden del combustible. Este es un peligro presente en las estaciones de servicio y es una de las razones por las que es aconsejado parar el motor mientras se carga el vehículo con gasolina. Este peligro también está presente en los aeropuertos, durante las operaciones de repostaje de los aviones.

5.

El peligro de inflamación

Existe cuando la chispa es generada por una diferencia de potencial superior a los 1.000 V. Para que se produzcan incendios o explosiones deberán cumplirse conjuntamente las tres siguientes condiciones: INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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• La existencia de una mezcla combustible o comburente susceptible de explosión o incendio por encontrarse dentro de su rango de inflamabilidad. • La acumulación de una carga electrostática lo suficientemente alta para crear una diferencia de potencial generadora de chispa. • La producción de la de scarga electrostática (chispa) iniciadora, de energía suficiente para inflamar una mezcla peligrosa.

5.- ¿Por qué los metales se les considera buenos conductores de electricidad? La ciencia de materiales define un metal como un material en el que existe un traslape entre la banda de valencia y la banda de conducción en su estructura electrónica (enlace metálico). Esto le da la capacidad de conducir fácilmente calor y electricidad, y generalmente la capacidad de reflejar la luz, lo cual le da su peculiar brillo. Estas propiedades se deben al hecho de que los electrones exteriores están ligados sólo ligeramente a los átomos, formando una especie de mar (también conocido como mar de Drude), que se conoce como Enlace metálico. Un enlace metálico es un enlace químico que mantiene unidos los átomos (Unión entre cationes y los electrones de valencia) de los metales entre sí. Estos átomos se agrupan de forma muy cercana unos a otros, lo que produce estructuras muy compactas. Se trata de redes tridimensionales que adquieren la estructura típica de empaquetamiento compacto de esferas. En este tipo de estructura cada átomo metálico está rodeado por otros doce átomos (seis en el mismo plano, tres por encima y tres por debajo). Además, debido a la baja electronegatividad que poseen los metales, los electrones de valencia son extraídos de sus orbitales y tiene la capacidad de moverse libremente a través del compuesto metálico, lo que otorga las propiedades eléctricas y térmicas de los metales.

6.- ¿Cómo se producen los rayos en la atmósfera terrestre? Cuando se forman nubes densas en una tormenta, debido a los movimientos de grandes masas de aire y de agua, en el interior de la nube se crean zonas con cargas positivas y cargas negativas. Entre estas zonas existen grandes diferencias de potencial, al igual que entre la nube y la superficie de la Tierra (en ocasiones estas diferencias potencial pueden INGENIERIA DE SISTEMAS E INFORMATICA

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llegar a los 100 millones de voltios). Debido a ello se producen descargas eléctricas a las que llamamos rayos, que van acompañados de liberación de energía en forma luminosa y en forma de sonido (el trueno). Hay rayos que se forman por descargas entre zonas de una misma nube, con cargas de distinto signo, entre dos nubes o entre la nube y la superficie terrestre.

7.- ¿Qué es una conexión a tierra? ¿Por qué será importante? Es un sistema que asegura que, ante cualquier falla de aislamiento, las partes metálicas de todo artefacto eléctrico descarguen la corriente eléctrica a tierra, sin afectar al usuario. a través de un "tercer cable o alambre" incorporado en los enchufes y cables eléctricos. el tercer cable recibe el nombre de tercer conductor. este tercer conductor representa la conexión a tierra de protección que debe estar presente en todo artefacto, extensión o instalación eléctrica. la conexión a tierra establece la unión eléctrica entre el armazón metálico de los artefactos eléctricos, el tablero y la puesta a tierra. la puesta a tierra (electrodo a tierra o malla) será ubicada en el terreno debajo de la superficie de su casa u oficina. el sistema de conexión a tierra se extiende desde la puesta a tierra hacia todas las instalaciones, a través del tercer conductor, que debe estar presente en todos sus tomacorrientes. Importancia: seguridad cuando un equipo no se conecta a tierra y alguna línea viva por alguna falla se conecta a la carcasa del equipo, este equipo empezara a dar toques y existe la posibilidad de un daño severo o muerte a las personas, pero si el equipo está conectado tierra, la falla circulara por el cable de tierra al transformador y de este modo operara la protección abriendo el circuito respectivo


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CONCLUSIONES

Gracias a esta oportunidad que hemos tenido de experimentar y analizar los fenómenos físicos de la electrización se ha logrado comprender que siempre que un objeto está cargado existe un campo, y siempre que existan dos o más campos estos pueden interactuar entre ellos y afectar la carga de un cuerpo teniendo en cuenta que esa influencia de los campos hacia el cuerpo genera una redistribución y reorganización de los electrones del objeto. Gracias a esto los conceptos de carga y campos pasan de ser formulas o teoría a entes que podemos sentir con nuestros sentidos o incluso a manejar con ayuda de la tecnología.

También a través de este trabajo pudimos darnos cuenta que el esfuerzo realizado tiene atribuciones como aprender a generar nuestro propio conocimiento.


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OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Para realizar la práctica de laboratorio sobre la electrización se recomienda: 

Tener todos los materiales necesarios para llevar a cabo el experimento.



No recortar trozos grandes de papel, los trozos deben ser pequeños para que puedan ser atraídos por el elemento cargado.



Frotar bien el sorbete, la barra de vidrio o el material a usarse como conductor para que su carga sea efectiva.



Utilizar bien los materiales y equipos para evitar errores.


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BIBLIOGRAFÍA







Humberto Leyva, N: Fisica III.Electrostatica y Electromagnestismo. Perú: Ed. Moshera S.R.L, pag 3. Antonio García-Maroto, Pilar Mareca López y Vicente Alcober Bosch: Electrostática. Ed. García Maroto, Pag 7. http://es.scribd.com/doc/30785319/ electrómetro.


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ANEXO


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INFORME FISICA N°01

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