ELECTROESTATICA
DANIEL FORERO YESID GARCIA WALTER MORA GIANCARLO NIGRINIS ALVARO SANCHEZ
PRESENTADO A: ZULIA COAMAÑO
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO BARRANQUILLA BARRANQUILLA – COLOMBIA 2011
INTRODUCCION En el informe a presentar se exponen los principales fenómenos electrostáticos entre dos o más partículas de diferentes cargas. Esta vez relacionando cada partícula a un material o sustancia que fueron cargadas o inducidas por diferentes métodos. Se sustentan los diferentes fenómenos y se analizan según el montaje realizado para cada uno.
OBJETIVOS Estudiar los principales fenómenos electroestáticos con diferentes materiales. Construir un electroscopio, para comprobar los fenómenos de atracción y de repulsión electrostática entre objetos. Analizar el comportamiento del papel al acercar objetos con diferentes tipos de cargas. Analizar el comportamiento del agua al estar expuesta a una vejiga cargada electrostáticamente. •
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RESUMEN En el laboratorio se realizaron varias experiencias de electrostática con el fin de profundizar sobre los fenómenos que se evidenciaron. Después de la inducción teórica proporcionada por la profesora, procedimos a realizar las diferentes experiencias disponibles (Peine y trozos de papel, Péndulo electrostático, Vejiga y caída de agua y electroscopio) luego, procedimos a instalar los montajes y realizar las experiencias, se analizaron los resultados y dieron como respuesta lo esperado.
MARCO TEÓRICO Carga eléctrica y sus propiedades: Algunos experimentos sencillos demuestran la existencia de fuerzas y cargas eléctricas. Por ejemplo, después de pasar un peine por el cabello en un día seco, descubrirá que el peine puede atraer pedacitos de papel y que la fuerza atractiva es lo suficientemente fuerte para sostener los trocitos de papel, el mismo efecto se puede observar con el vidrio y el caucho si se frotan con seda o piel. Otro experimento es frotar con tela sintética un globo inflado el cual se adhiere a una pared durante horas. Cuando los materiales se comportan así se dice que están electrificados o se han cargado eléctricamente. Estos experimentos funcionan mejor en días secos, ya que la humedad relativa en el aire puede ocasionar que la carga acumulad se escape a tierra.
Figura 1.1
Benjamín Franklin (1706-1790) a través de experimentos se encontró que hay dos tipos de cargas eléctricas y les asignó los nombres de positiva y negativa. Para demostrar este hecho tome una barra de caucho y frótela con un paño y después la suspende por medio de un hilo no metálico como en la figura 1.1, aproxime una barra de vidrio frotada previamente con seda a la barra de caucho, se observa que las dos se atraen entre si figura 1.1a. Por otro lado si dos barras de caucho (o de vidrio cargadas) se acercan figura 1.1b, las dos se repelen. Esta observación nos indica que el caucho y el vidrio están electrificados de forma diferente. Estas observaciones nos permiten concluir que dos cargas similares se repelen entre sí y dos cargas opuestas se atraen entre si. Esto se comprende a partir del hecho de que la materia neutra, sin carga, contiene cargas eléctricas positivas y negativas. La carga eléctrica sobre una barra de vidrio se denomina positiva (+) cualquier cuerpo que sea repelido por la barra de vidrio debe tener carga positiva, cualquier cuerpo que sea atraído tendrá carga negativa. La carga en una barra de caucho se denomina negativa (-), y cualquier cuerpo que es atraído por una barra de caucho debe tener carga positiva, cualquier cuerpo que sea repelido tendrá carga negativa. Las carga eléctricas de atracción son responsables del comportamiento de productos comerciales: Por ejemplo, el plástico en lentes de contacto (etafilocom), el cual está hecho de moléculas que atraen eléctricamente las moléculas de las proteínas en las lágrimas humanas, las que son absorbidas y sostenidas por el plástico de tal forma que los lentes están formados de lágrimas humanas, de esta forma el ojo no percibe al lente como un objeto extraño. Muchos cosméticos utilizan esta ventaja de las fuerzas eléctricas al incorporar materiales que son atraídos eléctricamente a la piel o el cabello permitiendo que permanezcan en su lugar una vez aplicados.
La carga eléctrica siempre se conserva, cuando un cuerpo se frota con otro, no se recrea carga en el proceso, la electrificación se debe a una transferencia de cargas de un cuerpo a otro. Un cuerpo gana carga eléctrica negativa mientras que otro gana carga eléctrica positiva. A partir de la comprensión de la estructura atómica se sabe que los electrones tienen carga eléctrica negativa y nos permite comprender que al frotar vidrio en seda los electrones son transferidos del vidrio a la seda, de igual manera, al frotar caucho con piel los electrones se transfieren de la piel al caucho, con lo cual la piel se queda con carga positiva (falta de electrones) y el caucho con carga negativa (exceso de electrones). Robert Millikan (1868-1953) descubrió que la carga eléctrica es múltiplo de la unidad fundamental carga eléctrica (electrón) e*, la carga (q) está cuantizada y existe como paquetes discretos y se puede escribir q = Ne donde N es un numero entero. Experimentos a nivel atómico muestran que el electrón tiene carga negativa –e y el protón tiene una carga igual en magnitud pero de signo contrario +e, el neutrón no posee carga. Un átomo neutro debe contener el mismo número de protones que de electrones.
Propiedades de la carga eléctrica: La carga eléctrica se conserva La carga eléctrica está cuantizada Existen dos tipos de carga en la naturaleza positiva y negativa. Conductores, aisladores y semiconductores eléctricos. Los conductores son materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con facilidad. Los aisladores son materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con dificultad. Los semiconductores son materiales cuyas propiedades se encuentran entre la de los aisladores y conductores. Conductores Aislantes Semiconductores Cobre Vidrio Aluminio Silicio Caucho Plata Germanio Madera Oro Cuando los aislantes se cargan por frotamiento, solo el área que se frota queda cargada y la carga no puede moverse a otras regiones del material. En contraste con los conductores cuando se cargan en alguna región la carga se distribuye rápidamente en toda la superficie del material, esto sugiere que el material no puede cargarse, sin embargo, si usted sostiene la barra cargada por medio de un mango de madera mientras se frota, la barra permanecerá cargada debido a que la madera aísla al conductor de la persona que la sostiene, si no se toma con el mango de madera las cargas fluirían con facilidad hacia tierra. Los semiconductores como el silicio y el
germanio son elementos utilizados para la fabricación de dispositivos electrónicos (transistores y diodos) las propiedades de los semiconductores son controladas añadiendo impurezas de otros átomos. La carga por inducción, consiste en que sí acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. Para explicarlo mejor podemos poner como ejemplo dos esferas metálicas aisladas A y B, las cuales no tienen carga y se encuentran en contacto, de modo que forman en efecto un solo conductor sin carga. Posteriormente se acerca una barra con carga negativa a la esfera A. La barra repele los electrones del metal y el exceso de carga negativa se desplaza a la esfera contigua, con lo cual la primera esfera queda con exceso de carga positiva. La carga en ambas esferas ha sido redistribuida por lo que se dice que ha sido inducida en ellas. Como la barra con carga no toca las esferas, conserva su carga inicial. La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra. Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre. Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento de la cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos. Carga por frotamiento, El estado natural de los objetos es ser neutrales en cuanto a carga eléctrica. En otras palabras, tienen la misma cantidad de electrones que de protones, de modo que su carga global es cero. No obstante, algunos materiales atraen electrones más que otros; es decir, son más electroafines que otros. Por tanto, al ser frotados dos materiales, el material más electroafín adquirirá una carga negativa porque atrae electrones hacia sí. Por el contrario, el material menos electroafín adquirirá una carga positiva porque pierde electrones. Aquí hay una lista de materiales con electroafinidad ascendente (o sea que el azufre tiende a ser negativo, mientras que el vidrio tiende a ser positivo, si ambos se frotan uno con otro): vidrio, lana, cuero, plástico, seda, cera de parafina, ebonita, cobre y azufre.
Un ejemplo de esto sería: Sí frotamos una barra de plástico sobre cuero o lana, algunos electrones pasan del cuero o lana hacia la barra de plástico, debido a que el plástico es más electroafín que el cuero o la lana. De este modo, la barra tiene exceso de electrones y el cuero o lana tienen deficiencia de electrones. Por tanto, la barra adquiere carga negativa por exceso de electrones y el cuero o lana adquieren carga positiva por deficiencia de electrones.
Definiciones de conceptos: Aterrizado es cuando un objeto se conecta a tierra mediante un conductor La carga de un objeto por inducción ocurre cuando los objetos no tienen contacto físico. En la carga de un objeto por conducción es necesario que exista contacto físico entre los objetos. Para entender la inducción considere un esfera conductora neutra aislada de la tierra como se muestra en la figura 1.2a. Cuando una barra de caucho cargada negativamente se acerca a la esfera, la región de la esfera mas cercana a la barra obtiene un exceso de carga positiva, mientras que la región de la esfera mas alejada de la barra obtiene una carga igual pero negativa como se muestra en la figura 1.2b. Si se realiza el mismo experimento con un alambre conductor conectado de la esfera a tierra figura1.2c, una parte de los electrones en el conductor son intensamente repelidos por le presencia de la carga negativa de la carga en la barra que salen de la esfera a través del alambre de aterrizaje y van a la tierra. Si el alambre de tierra se quita después figura 1.2d, la esfera de conducción contiene un exceso de carga positiva inducida. Cuando se quita la barra de caucho de la vecindad de la esfera fig. 1.2e, la carga positiva inducida permanece sin aterrizaje. Se puede observar que la carga que permanece sobre la esfera se distribuye uniformemente sobre su superficie debido a las fuerzas repulsivas entre las cargas similares. Advierta que la barra de caucho no pierde nada de su carga negativa. A B C D E
Figura 1.2
Un proceso similar a la inducción en conductores ocurre en aislantes. En la mayor parte de los átomos y moléculas neutros el centro de carga coincide con el centro de carga negativa, sin embargo en presencia de un objeto cargado estos centros pueden desplazarse ligeramente, lo que produce más carga en un lado de la molécula que de otro lado (polarización).
LEY DE COULOMB Charles Coulomb (1736-1806) experimentó con magnitudes de las fuerzas eléctricas existentes entre objetos electrizados mediante la balanza de torsión que él inventó, y con la cual confirmó que la fuerza eléctrica entre dos pequeñas esferas cargadas es proporcional al cuadrado inverso de la distancia que las separa (r). El principio de la balanza es el mismo que el del aparato de Cavendish para medir la gravitación, usando esferas eléctricamente cargadas. La fuerza entre las esferas A y B provoca que las esfera se atraigan o se repelen entre si y el movimiento resultante causa que se tuerza la fibra que las suspende. El momento de torsión de restitución de la fibra torcida es proporcional al ángulo a través del cual gira la fibra, la lectura de este ángulo proporciona una medición cuantitativa de la fuerza de atracción o repulsión. Una vez que las esferas se cargan por frotamiento, la fuerza eléctrica entre ellas es muy grande comparada con la tracción gravitacional. Estos experimentos demuestran que la fuerza eléctrica ente dos partículas cargadas estacionarias es: Inversamente proporcional a lo largo de la separación r entre las partículas y esta dirigida a lo largo de la línea que las une proporcional al producto de las cargas sobre las dos partículas atractiva si las cargas son de signo opuesto y repulsivas si las cargas tienen el mismo signo. La ley de Coulomb se expresa con la siguiente ecuación a partir de la observación del experimento:
La unidad de carga mas pequeña en la naturaleza es el electrón la cual es igual en magnitud a la del protón . Un Coulomb de carga (1C) es 18 aproximadamente de 6.24x10 electrones. Cantidad pequeña si usted lo compara con los electrones libres en 1 cm3 de cobre, el cual es de 10231 Coulomb es una cantidad de carga importante. Cundo usted carga una barra de vidrio por fricción se obtiene una carga de 10-6 Coulomb. Cundo trabaje con la ley de Coulomb recuerde que la fuerza es una cantidad vectorial y que debe tratarse como tal.
EXPERIENCIAS: 1-PEINE Y TROZOS DE PAPEL Materiales: •
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Peine de plástico Trozos de papel
Procedimiento: Se tomó el peine de plástico y se frotó éste contra el cabello de uno de los compañeros; al hacer esto el peine quedó cargado negativamente, se aproximó el peine cargado electrostáticamente a pequeños trozos de papel y se observó cómo estos eran atraídos hacia el peine.
Observaciones: En la experiencia realizada se observó que el peine usado adquiere una carga electrostática, esto se debe a que al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. La distribución de esta carga adquirida no será uniforme en todo el cuerpo en cuestión, en este caso ésta solo se encontrará en la superficie del cuerpo que estuvo en contacto al frotarla con el cabello de la persona, en dicha zona se encontrará un campo eléctrico con carga negativa, el cual es el que induce una carga contraria a la suya en los trozos de papel y a causa de esto se ven atraídos hacia el peine, las interacciones observadas son momentáneas y se pierde la carga en ambos objetos; por esto, el fenómeno se observa por un corto lapso de tiempo, luego de esto se debe volver a realizar el mismo procedimiento para que las interacciones se den nuevamente.
2-PÉNDULO ELECTROSTÁTICO Materiales - Una vejiga - Hilo - Un pedazo de papel aluminio - Soporte metálico
Procedimiento: Se tomó el hilo y se amarró en un soporte metálico, del otro lado del hilo se amarra una bolita de papel aluminio que quede suspendido en el aire (ver montaje). Se le acerca una vejiga que ha sido cargada por el frotamiento en el cabello seco o el brazo de uno de los compañeros.
Observación: En este experimento se pudo observar que al acercar la vejiga cargada a la bolita de papel aluminio, ésta se acercaba a la vejiga por corto tiempo.
Explicación y Funcionamiento Primero debemos denotar que al frotar dos cuerpos neutros uno con el otro ambos cuerpos se cargas electrostáticamente. La distribución de esta carga adquirida no es uniforme, esta es la razón por la que la bolita de papel de aluminio no reacciona con otras partes de la vejiga. La atracción de la bola de papel aluminio a la vejiga se debe a la inducción que un cuerpo cargado por frotamiento le provoca a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre la carga de la vejiga y la carga neutra de la bolita de papel aluminio, como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente. Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
3-VEJIGA Y CAÍDA DE AGUA Materiales - Una vejiga - Caída de agua
Procedimiento: Se tomó una vejiga que ha sido cargada por frotación en el brazo de uno de los compañeros y se acerca a un caída de agua de una pluma, controlando que el flujo de agua sea lo más pequeño posible para evidenciar mejor el fenómeno.
Observación: En este experimento se pudo observar que al acercar la vejiga cargada al delgado chorro de agua un desvió de la corriente hacia la vejiga.
Explicación La atracción del agua a la vejiga se debe a la inducción como en el experimento pasado, se puede establece una interacción eléctrica entre la carga de la vejiga y la carga que posee el agua, como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente. Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
4-ELECTROSCOPIO Materiales -
Un vaso de vidrio Un clip Dos tiras de papel aluminio de 4 cm por 1 cm Un pedazo de bolsa plástica Una vejiga
Montaje
Procedimiento: Abra el clip e introdúzcalo por el centro de un pedazo de bolsa. Cuelgue las dos tiras de papel de aluminio del clip. Coloque la bolsa sobre la parte superior del vaso, de manera que el papel de aluminio y el clip queden colgando dentro (ver montaje). Acerque al clip una vejiga cargada que hayas frotado contra tu pelo o brazo.
Observación: En este experimento logramos notar que al acercar el globo cargado al clip, éste provocaba que las láminas de aluminio que se encontraban en el otro extremo del clip se separaran.
Explicación Primero debemos tener en cuenta que el electroscopio es un dispositivo que sirve para detectar si un objeto está cargado o no. Un objeto puede estar cargado positiva o negativamente, ahora si acercamos un objeto cargado positivamente, las cargas negativas del clip experimentan una fuerza atractiva hacia el objeto. Ahora, recordemos que un electroscopio está formado esencialmente por un par de hojas metálicas unidas en un extremo. Si acercamos un objeto cargado al electroscopio, la carga negativa será atraída hacia el extremo más cercano a la lapicera mientras que la carga positiva se acumulará en el otro extremo, es decir que se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio y como las cargas de un mismo signo se rechazan las hojas del electroscopio se separan. Si luego de hacer esto alejamos el objeto cargado, las cargas positivas y negativas del electroscopio vuelven a equilibrarse, la repulsión entre las hojas desaparece y se juntan nuevamente.
CONCLUSION
En el desarrollo de las experiencias de electrostática se pudo observar como dependiendo del material (plástico, caucho o vidrio) al momento de ser cargado, se cargaba de manera diferente (carga positiva o carga negativa), provocando así que en unos casos como el electroscopio, hubiese repulsión entre las tiras de papel o en otros casos como el peine y los trozos de papel halla atracción.
BIBLIOGRAFIA • •
http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio http://emilioescobar.org/u1/U1_6.htm
