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DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE MATEMÁTICA Y FÍSICA

LABORATORIO N° II FENÓMENOS ELECTROSTATICOS ASIGNATURA AS IGNATURA

: FS-242 Física III

PROFESOR PROFES OR

: Lic. Lorenzo Delgado Saire

ALUMNOS

: Alarcón Tueros Juan Carlos : Bautista Paquiyauri Wilber : Pereira Portillo Jorge Irvin

GRUPO

: N0

CICLO ACADEMICO

: 2013-II

, martes 1 a 3 p.m.

AYACUCHO _ PERÚ 2014

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UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD NACIONAL DE SAN CRISTOB CRISTOBAL AL DE HUAMANGA

FENÓMENOS ELECTROSTATICOS

I.

II.

OBJETIVOS:



Explicar empleando argumentos electrostáticos observados.

coherentes

los

diferentes



Observar las diferentes formas de electrización de los cuerpos.



Verificar si un cuerpo esta electrizado electrizado o no mediante un electroscopio.

fenómenos

INTRODUCCION

En la naturaleza la materia siempre se encuentra en estado eléctricamente neutro, lo que significa que los átomos de un material en este estado tiene igual número de un material material en este estado tiene igual número de protones en el núcleo como de electrones en el manto electrónico, de tal forma que la carga eléctrica neta es decir la suma algebraica de todas las cargas es cero. La Electricidad La Electricidad engloba una categoría de fenómenos físicos originados por la existencia de cargas eléctricas y por la interacción la interacción de las mismas. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, o estática, produce produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento en movimiento produce, produce, además, efectos magnéticos. Los efectos eléctricos y magnéticos dependen de la posición y movimiento relativos de las partículas con carga. En lo que respecta res pecta a los efectos eléctricos, estas partículas partí culas pueden p ueden ser neutras, positivas o negativas. La electricidad se ocupa de las partículas cargadas positivamente, como los l os protones, proto nes, que se repelen r epelen mutuamente, y de las la s partículas partícula s cargadas negativamente, como los electrones, que también se repelen mutuamente; la rama de la física la física que estudia las cargas eléctricas estacionarias se llama Electrostática, llama Electrostática, el el cual es el tema central del presente módulo.




III.

MARCO TEORICO

LA ELECTROSTÁTICA La electrostática es la rama de la Física la Física que estudia los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS La existencia del fenómeno electrostático es bien conocida 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 de electricidad por por simple frotamiento. frota miento. ELECTRIZACIÓN Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. 1. Por contacto: Se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva. 2. Por frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. CARGA ELÉCTRICA Es una de las propiedades básicas de la materia. Realmente, la carga eléctrica de un cuerpo u objeto es la suma de las cargas de cada uno de sus constituyentes mínimos (moléculas, átomos y partículas elementales). Por ello se dice que la carga eléctrica está cuantizada. Existen dos tipos de carga eléctrica, que se han denominado cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen. PRINCIPIO PRINC IPIO DE CONSERVACIÓN Y CUANTIZACIÓN DE LA CARGA




Ejemplos de fenómenos electroestáticos 1. Poniendo muy próximos dos péndulos eléctricos tocados con vidrio frotado, se observa una repulsión mutua; si los dos se han tocado con resina frotada, la repulsión se origina análogamente; si uno de los dos péndulos se ha puesto en contacto con resina frotada y el otro con vidrio, se produce una mutua atracción. 2. Cuando frotamos una barra de vidrio con un paño. Lo que hemos hecho es arrancar cargas negativas de la barra que han quedado atrapadas en el paño, por lo que la barra inicialmente neutra ha quedado con defecto de cargas negativas (cargada positivamente) y el paño con un exceso de cargas negativas, en el sistema total vidrio-paño, la carga eléctrica no se ha modificado, únicamente se ha redistribuido. 3. Cuando caminas por alfombra y tocas el pivote de la puerta metálico. Sientes una descarga eléctrica. 4. Cuando te peinas puedes recoger pedacitos de papel con el peine. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN La influencia del campo producido por una carga aislada se puede generalizar al caso de un sistema formado por más de una carga y luego extenderse al estudio de un cuerpo cargado. Experimentalmente se verifica que las influencias de las cargas aisladas que constituyen un sistema son aditivas, o en otras palabras, se suman o superponen vectorialmente. Así, la intensidad de campo E en un punto cualquiera del espacio que rodea a varias cargas será la suma vectorial de las intensidades de los campos debidos a cada una de las cargas individualmente consideradas. REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL CAMPO ELÉCTRICO 

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A.- Por convención, las líneas deben partir de cargas positivas y terminar en cargas negativas y en ausencia de unas u otras deben partir o terminar en el infinito. B.- Las líneas de campo eléctrico jamás pueden cruzarse. C.- El número de líneas de campo eléctrico que parten de una carga positiva o llegan a una carga negativa es proporcional a la cantidad de carga respectiva. D.- Las líneas de campo eléctrico deben ser perpendiculares a las superficies de los objetos en los lugares donde conectan con ellas.




Representación del campo eléctrico creado por dos cargas positivas de igual magnitud y por un dipolo un dipolo eléctrico.

Partícula moviéndose paralelamente al campo.- Considérese una partícula de masa m y carga q que se suelta a partir del reposo en un campo entre dos placas paralelas cargadas tal como se muestra en la figura.El movimiento es similar al de un cuerpo que cae en el campo el campo gravitacional terrestre. Partícula moviéndose perpendicularmente al campo La figura muestra un electrón de masa m y carga e que es disparado con una velocidad perpendicularmentee a un campo uniforme . El perpendicularment movimiento es similar al de un proyectil disparado horizontalmente en el campo gravitacional terrestre. En consecuencia el movimiento horizontal x y el vertical y están dados por las expresiones: ELECTRICIDAD ESTÁTICA La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.




frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento del viento solar y de los cinturones los cinturones de radiación de Van Allen. La Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto denomina efecto triboeléctrico; triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia denominada secuencia triboeléctrica. La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, la xerografía, en en filtros de aire, en algunas pinturas de automóvil, en algunos algu nos aceleradores acelerador es de partículas subatómicas, etc. Los pequeños componentes de los circuitos eléctrónicos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos de dispositivos antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática. AISLANTES Y CONDUCTORES Los materiales se comportan de forma diferente en el momento de adquirir una carga eléctrica. Así, una varilla metálica sostenida con la mano y frotada con una piel no resulta cargada. Sin embargo, sí es posible cargarla cuando al frotarla se usa para sostenerla un mango de vidrio de vidrio o de plástico de plástico y el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicación es que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano. Esto se debe a que en ciertos materiales, típicamente en los metales, los metales, los electrones los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen r edistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores. GENERADORES ELECTROSTÁTICOS Los generadores Los generadores de electricidad estática son máquinas que producen altísimas tensiones altísimas tensiones con una muy pequeña intensidad de corriente. corriente. Hoy se utilizan casi exclusivamente para demostraciones escolares de física. Ejemplos de tales generadores son el electróforo, la máquina la máquina de Wimshurst y el generador el generador de Van de Graaff.






aumenta el contacto entre las dos superficies, lo que aumentará la cantidad de electricidad generada. Habitualmente los aislantes son buenos para generar y para conservar cargas superficiales. Algunos ejemplos de estas sustancias son el caucho, el caucho, los los plásticos plásticos y el vidrio. el vidrio. 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). 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 externos 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 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 ti enen carga negativa), su carga car ga neta resulta positiva. positiva . CARGA POR INDUCCIÓN






APLICACIONES La electricidad estática se usa habitualmente en xerografía en xerografía en la que un pigmento en polvo (tinta seca o toner) se fija en las áreas cargadas previamente, lo que hace visible la imagen impresa. En electrónica, En electrónica, la la electricidad estática puede causar daños a los componentes, por lo que los operarios han de tomar medidas para descargar la electricidad estática que pudieran haber adquirido. Esto puede ocurrir a una persona por frotamiento de las suelas de los zapatos (de materiales como la goma) contra suelos de tela o alfombras, o por frotamiento de su vestimenta contra una silla de plástico. Las tensiones generadas así serán más altas en los días con baja humedad relativa ambiente. Hoy las alfombras y las sillas se hacen con materiales que generen poca electricidad por frotamiento. En los talleres de reparación o en fábricas de artefactos electrónicos se tiene el cuidado de evitar la generación o de descargar estas cargas electrostáticas. Al aterrizar un avión se debe proceder a su descarga por seguridad. En los automóviles también puede ocurrir la electrificación al circular a gran velocidad en aire seco (el aire húmedo produce menores cargas), por lo que también se necesitan medidas de seguridad para evitar las chispas chi spas eléctricas.

IV.

MATERIALES MATERIALES Y EQUIPO:     

Trocito de papel. Un pedazo de fieltro. Un pedazo de tela de seda. Un pedazo de bolsa de plástico. Dos varillas metálicas.






V.

PROCEDEMIENTO:

GENERAR CARGAS ELECTRICAS POR FROTAMIENTO MÁQUINA DE VAN DER GRAFF

MEDIANTE LA

PRI PRI M ERA PARTE: PARTE: COMPORTAMIENTO DE LOS SORBETES

Se limpian las barras (ebonita, plástico, plástico, y metálica) con el algodón impregnado de alcohol para quitar residuos residuo s de sociedad y grasa. Resultados y observaciones obs ervaciones

Cuando frotam frotamos os las varilla varilla metálica o de plástico plástico con algodón esta obtiene obtiene carga eléctrica eléctrica positivamente o negativamente esta al acercar al sorbete estos reaccionan alejándose o acercándose a la varilla de acuerdo a las cargas que tengan opuestas(se atraen) iguales(se repelen).





UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD NACIONAL DE SAN CRISTOB CRISTOBAL AL DE HUAMANGA SEGUNDA PARTE: PURIFICADOR DE AIRE Resultados y observaciones obs ervaciones

Cuando se conecta la carga al purificador de aire se observa cómo se adhiere adhie re a las paredes paredes por eso oscurece las paredes. pared es. Al conectar el primer cable el gas (humo) se ioniza positivamente a causa de que Cuando un átomo es golpeado por una partícula rápida expulsa electrones y el átomo queda con una carga positiva y al conectar el otro cable o de polo opuesto en la parte inferior (negativa) esta atrae a las paredes del electroscopio y por lo tanto se purifica el aire.

TERCERA PARTE: CAMPANILLAS ELECTROSTATICAS Resultados y observaciones obs ervaciones






CUARTA PARTE: PARTE: EL PODER DE LAS PUNTAS Resultados y observaciones obs ervaciones

Se produce cuando un conductor electrizado tiende a acumular la carga la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor. -Al acercar la llama de una vela a la punta el viento electrostático generado por la








QUINTA PARTE: PARTE: MOLINETE ELECTROSTATICO Resultados y observaciones obs ervaciones








SEXTA PARTE: PLUMEROS ELECTROSTATICOS:

Cuando se conecta los plumeros electrostáticos uno a la cargas positiva se observa que








VII.

CUESTIONARIO:

Responda las siguientes preguntas 1. La ley de coulomb se aplica exclusivamente a: Cargas puntiformes

2. Dos cargas puntiformes de la misma magnitud se atraen con con una fuerza de 2.0 N. cuando están separadas 4.0 mm. Cuando se acercan a 1.0 mm la fuerza fuerza es de: 

=

Reempl Reempl azando es 32 32 N

3. El concepto básico de este curso es: L a car c ar ga elé ctr i ca

4. La mínima carga eléctrica positiva:

 ∗ 1 ∗ 2 2







UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD NACIONAL DE SAN CRISTOB CRISTOBAL AL DE HUAMANGA Coulombio.

10. La materia está constituida por: Átomos

11. El elemento con el átomo más simple es el: Hidrógeno

12. Los conductores eléctricos: Perm i ten el movi mi ento l i bre br e de cargas car gas a travé s de ellos. ell os.

13. El rompimiento dieléctrico: E s u n fenómeno excl usivo de l os buenos conductor conduct ores es

14. Una molécula es polar cuando:

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