Informe 1

Universidad Nacional de Colombia. Laguna, Prieto. Fenómenos Electrostáticos
.
FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS
Laguna Wilson., Prieto Camilo.
{wnlagunad, caprietop} @unal.edu.co
Universidad Nacional de Colombia
distribuciones de carga eléctrica. Su origen formal se
remite al siglo XVII cuando se formulo la “Ley de
Coulomb”, más adelante Maxwell unifica las normas de
la electricidad y magnetismo alrededor siglo XIX.
RESUMEN: La práctica de laboratorio titulada
“Fenómenos
Electrostáticos”
consiste
en
la
comprobación experimental de la presencia de la carga
eléctrica, asimismo el uso de los diferentes métodos de
electrización y finalmente diferenciar la naturaleza
eléctrica de algunos elementos de nuestra vida diaria.
Para esto se requieren instrumentos especiales como el
electróforo y el electroscopio. Como resultados finales
se obtiene la existencia de cargas positivas y negativas,
del mismo modo se comprueba el postulado de la
conservación de la energía y por último la clasificación
de los materiales según sus propiedades eléctricas.
A continuación se encuentra la base teórica que
soporta el desarrollo del laboratorio, enseguida los
aspectos experimentales (Procedimiento, material
(equipo)), al instante están los resultados obtenidos junto
al análisis de éstos y finalmente las conclusiones que
arrojan la práctica.
2. MARCO TEÓRICO
ABSTRACT: The lab entitled "Electrostatic
Phenomena" is the experimental confirmation of the
presence of electric charge, also the use of different
methods of electrification and finally differentiate the
electrical nature of some elements of our daily lives. This
will require special instruments such as electrophorus
and electroscope. As a final result is the existence of
positive and negative charges, just checked the
assumption of conservation of energy and finally the
classification of materials according to their electrical
properties.
2.1 ASPECTOS GENERALES
-Carga Eléctrica
Es algo inherente a la materia e inseparable de
ella. Dondequiera que exista materia existe carga
eléctrica. Sin embargo, no toda la materia manifiesta
fenómenos de tipo eléctrico.
La materia que nos rodea está formada por átomos
que constan, a su vez, de protones, neutrones y
electrones. Los protones y electrones tienen una
propiedad que se conoce con el nombre de carga
eléctrica.
PALABRAS CLAVE: Carga Eléctrica, Electricidad,
Fuerza Electrostática, Ley de Coulomb.
1 INTRODUCCIÓN
Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos:
- Los protones tienen carga eléctrica positiva.
- Los electrones tienen carga eléctrica negativa.
En nuestra vida diaria tenemos sucesos eléctricos
de la naturaleza que no se pueden observar a simple
vista, sin embargo, estos pueden ser analizados. Por
medio de este laboratorio se brinda la oportunidad de
estudiar todo lo relacionado con las actividades
electrostáticas.
Normalmente, los átomos de los cuerpos tienen
tantos protones como electrones, por lo que tendrán
tantas cargas eléctricas positivas como negativas. Esto
hace que sean neutros. Pero los átomos pueden ganar o
perder electrones y convertirse en iones. De esta forma,
los cuerpos neutros pueden adquirir una carga eléctrica.
Cuando los átomos ganan electrones, el cuerpo
adquiere carga eléctrica negativa. Cuando los átomos
pierden electrones, entonces el cuerpo adquiere carga
eléctrica positiva.
El objetivo general de esta práctica es evidenciar la
existencia de la carga eléctrica y los fenómenos básicos
de la electroestática. De la misma manera los objetivos
específicos que se deben cumplir para garantizar la
consecución del objetivo general son: Inicialmente
observar algunos fenómenos de la electricidad estática,
luego deducir la existencia de dos tipos de carga
(Positiva y Negativa). Asimismo conocer los diferentes
métodos de electrización con ayuda del electróforo y el
electroscopio. Finalmente distinguir las propiedades
eléctricas
de
la
materia
(Conductores,
superconductores, semiconductores y aislantes)
Un cuerpo electrizado está cargado positiva o
negativamente porque ha perdido o ganado electrones.
Por consiguiente, la carga eléctrica es una magnitud
física medible y cuantificable. La cantidad de electricidad
«neta» de un cuerpo será igual a un número entero de
veces la carga del electrón.[1]
La electrostática es el área de la física que tiene
como objeto de estudio los fenómenos producidos por
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-Fuerza Eléctrica
Se puede medir y cuantificar el campo eléctrico que
rodea una carga, un grupo de cargas o una distribución
continua de cargas midiendo la fuerza sobre una carga
de prueba positiva y pequeña. Por carga de prueba debe
entenderse una carga positiva tan pequeña que no
altere la distribución de las demás cargas, que son las
que provocan el campo que se está midiendo.
Es aquella que se presenta entre dos o más
cargas, cuyo módulo depende del valor de las cargas y
de la distancia que las separa, mientras que su signo
depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo
signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto
signo se atraen.
El campo eléctrico E, en cualquier punto del
espacio se define como la fuerza F que se ejerce sobre
una carga de prueba en ese punto, dividida entre la
magnitud q de la carga de prueba:
Con esta definición vemos que la dirección del
campo eléctrico en cualquier punto en el espacio se
define como la dirección de la fuerza sobre una carga
positiva de prueba en ese punto. La magnitud del campo
eléctrico es la fuerza por unidad de carga, de modo que
E se mide en Newton/Coulomb (N/C).[3]
Figura 1. Representación gráfica de “Fuerza
Eléctrica”.
La fuerza entre dos cargas se calcula como:
-Ley de Coulomb
Aún cuando los fenómenos electrostáticos
fundamentales eran ya conocidos en la época de
Charles Coulomb (1736-1806), no se conocía aún la
proporción en la que esas fuerzas de atracción y
repulsión variaban. Fue este físico francés quien, tras
poner a punto un método de medida de fuerzas sensible
a pequeñas magnitudes, lo aplicó al estudio de las
interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga
eléctrica. El resultado final de esta investigación
experimental fue la ley que lleva su nombre y que
describe las características de las fuerzas de interacción
entre cuerpos cargados.
Donde,
= Valores respectivos de la carga 1 y 2.
d= Distancia que se tiene entre las dos cargas.
Fe= Fuerza Eléctrica.
Se debe tener en cuenta que la fuerza es una
magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el
módulo se deben determinar dirección y sentido.
Cuando se consideran dos cuerpos cargados
(supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas
atractivas o repulsivas que se ejercen entre sí es
directamente proporcional al producto de sus cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de las distancias
que las separa, dependiendo además dicha fuerza de la
naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de
interacción, las fuerzas eléctricas se aplican en los
respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo
largo de la línea que los une.
Cuando se habla de la dirección de la fuerza
eléctrica se debe tener en cuenta si son únicamente dos
cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta
que une ambas cargas. Ahora bien cuando se está
evaluando el sentido de la fuerza eléctrica actuante
entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son
del mismo signo y de atracción si las cargas son de
signo contrario.[2]
Las expresiones matemáticas de la ley de Coulomb
se expusieron en la explicación correspondiente a”
Fuerza Eléctrica”. [4]
-Campo Eléctrico
Es aquel donde existe una fuerza que actúa a
distancia, lo que no fue fácil de aceptar para los
pensadores antiguos. La idea de campo se extiende de
toda carga hacia fuera e invade todo el espacio. Cuando
se coloca una segunda carga cerca de la primera,
"siente" una fuerza debido a que el campo eléctrico está
allí. Se considera que el campo eléctrico en el lugar de
la segunda carga interactúa directamente con esa carga
para producir la fuerza
-Ley de la Conservación de la Carga
Una de las propiedades básicas de la interacción
electromagnética es que la carga se conserva
localmente, esto es, no puede crearse ni destruirse una
carga neta en ningún punto.
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*Enunciado Matemático
Esto se traduce matemáticamente en que si en un
volumen τ la carga contenida disminuye, ello se debe al
flujo al exterior a través de la frontera:
circundante (lo que se denominan pérdidas). Nótese que
sólo para esta clase de sistemas, y exclusivamente en el
caso de que no haya pérdidas, se verificará la relación I
= dQ / dt, que en ningún caso puede considerarse una
definición de intensidad de corriente, sino sólo como un
caso muy particular de la ley de conservación de la
carga[5]
La versión diferencial de esta ley se escribe:
2.2 INSTRUMENTOS PRÁCTICA
-Electróforo
Asociada a la ley de conservación de la carga
existe una condición de salto que relaciona las
densidades de corriente a ambos lados de una interfaz
entre dos medios. Esta condición es, en general
Se debe su descubrimiento a Alejandro Volta
(1745-1827), funciona aprovechado los fenómenos de
influencia o inducción, se compone de dos partes: Una
torta de resina electrizable por frotamiento y un disco
metálico con mango aislante.
Siendo la divergencia superficial de la densidad de
corriente superficial. En muchos casos prácticos, no
obstante, este término está ausente y la condición se
reduce a una que liga el salto en con la variación de
cargas en la superficie.
El objetivo es conseguir electrizar el disco metálico.
Para conseguirlo primero electrizamos la torta de resina,
por frotamiento, después agarrando por el mango,
ponemos sobre ella el disco metálico, tocando en ese
momento el disco con un dedo, facilitamos el escape de
la electricidad creada por el frotamiento, nuestro cuerpo
y el disco han hecho de conductores, quedando al retirar
el dedo, cargado el disco de electricidad contraria a la de
la resina. Con este instrumento se pueden producir
efectos eléctricos y descargas acompañadas de
sonido.[6]
*Corrientes Estacionarias
Situaciones
de
corrientes
estacionarias
(independientes del tiempo), la densidad de corriente
resulta ser un campo solenoidal
Esto implica que, para corrientes estacionarias, si
consideramos un tubo de corriente, la intensidad en dos
secciones cualesquiera de él es la misma
En situaciones no estacionarias esto no será cierto
en general, ya que podrá haber acumulación de carga
en los puntos intermedios.
Esto es, que la corriente que llega normalmente a
la superficie debe coincidir con la que sale de ella.
Figura 2. Instrumento “Electróforo”.
*Aplicación a un Electrodo
En el caso particular de un electrodo perfectamente
conductor, sumergido en un material por el cual puede
fluir una corriente, pero además alimentado por un cable
(que lo une a un generador, por ejemplo), la ley de
conservación de la carga puede desglosarse, separando
la corriente que fluye por el medio, de la que entra hacia
el electrodo por el cable de alimentación. Si
denominamos I a esta última, la ley de conservación en
forma integral queda
-Electroscopio
Fue inventado por el físico francés Jean Antonie
Mollet en 1750. Es un aparato que sirve para detectar
cuerpos cargados de electricidad. Si la esfera metálica
de la parte superior se pone en contacto con un
conductor cargado, las delgadas hojas de metal (laminas
de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el
conductor. La carga en las hojas será proporcional a la
diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de
repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus
cargas idénticas, puede medirse observando el valor de
la desviación de un escala.
donde Q es la carga almacenada en el electrodo y
el flujo de se calcula a través del material que rodea al
electrodo, excluyendo el cable. En esta forma, la
ecuación se interpreta como que la corriente que llega al
electrodo, parte se emplea en aumentar la carga
almacenada y parte se escapa a través del medio
Un electroscopio cargado estando al aire libre
perderá gradualmente su carga debido que un pequeño
número de moléculas están siendo ionizadas
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continuamente bajo la acción de rayos cósmicos,
algunos de estos iones pueden tomar un exceso de
carga del electroscopio. La rapidez de carga de un
electroscopio es proporcional a la cantidad de radiación
de fondo (radioactividad).[7]
-Superconductores
Son aquellos que no ofrecen resistencia al flujo de
corriente eléctrica. Los superconductores también
presentan un acusado diamagnetismo, es decir, son
repelidos
por
los
campos
magnéticos.
La
superconductividad sólo se manifiesta por debajo de una
determinada temperatura crítica Tc y un campo
magnético crítico Hc, que dependen del material
utilizado.
2.3 MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN
La electrización es el proceso mediante el cual un
cuerpo adquiere una carga, esta electrización puede ser
por:
Antes de 1986, el valor más elevado de Tc que se
conocía era de 23,2 K (-249,95 °C), en determinados
compuestos de niobio-germanio. Para alcanzar
temperaturas tan bajas se empleaba helio líquido, un
refrigerante caro y poco eficaz. La necesidad de
temperaturas tan reducidas limita mucho la eficiencia
global
de
una
máquina
con
elementos
superconductores, por lo que no se consideraba práctico
el funcionamiento a gran escala de estas máquinas.
-Electrización 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.
-Electrización por Frotamiento
Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros,
ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con
carga negativa.
-Semiconductores
Son los materiales sólidos o líquidos capaces de
conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor
que un metal. La conductividad eléctrica, que es la
capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se
aplica una diferencia de potencial, es una de las
propiedades físicas más importantes. Ciertos metales,
como el cobre, la plata y el aluminio son excelentes
conductores. Por otro lado, ciertos aislantes como el
diamante o el vidrio son muy malos conductores. A
temperaturas muy bajas, los semiconductores puros se
comportan como aislantes.
-Electrización por Inducción
Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a
otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un
cuerpo 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.
Sometidos a altas temperaturas, mezclados con
impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los
semiconductores puede aumentar de forma espectacular
y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales.
Las propiedades de los semiconductores se estudian en
la física del estado sólido.
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.[8]
2.4 CLASIFICACIÓN MATERIA
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
-Aislantes
SEGÚN
Son materiales en los que las cargas se mueven
con mucha dificultad y ofrecen una elevada resistencia al
paso de la electricidad. Entre los principales exponentes
se encuentra: Madera, fibra de vidrio, yeso, caucho,
lucita, ebonita, porcelana y algunos polímeros.[9]
-Conductores
Cualquier material que ofrezca poca resistencia al
flujo de electricidad. Un buen conductor de electricidad,
como la plata o el cobre, puede tener una conductividad
mil millones de veces superior a la de un buen aislante,
como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como
superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas
sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto
su conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los
conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada
por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y
gases, lo hace por los iones.
3. ASPECTOS EXPERIMENTALES
3.1 PROCEDIMIENTO
Teniendo en cuenta lo expuesto en la guía de
laboratorio, se lleva su mismo orden. Se tienen 6
procedimientos principales y en algunos se tienen
modificaciones de éstos. A continuación se encuentran
los procedimientos:
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-Procedimiento I
Ahora se observa el método de electrización por
“Inducción”. Se realizará para el electroscopio, funciona
de manera similar que el electróforo.
a) Acercar al electroscopio un objeto cargado,
inmediatamente conectarlo a tierra por medio de la barra
de cobre. Luego quitar el contacto y finalmente el objeto
cargado.
b) Se realiza la verificación de la carga entre el
objeto cargado y el electroscopio en el proceso
inmediatamente anterior. Para ello tendremos que tener
el electroscopio cargado previamente con una carga
(sus láminas estarán separadas) y ver la reacción entre
éstas cuando se acerca el electróforo cargado por
inducción.
-Procedimiento III
Figura 3. Procedimiento I.
Se frota la hoja de acetato y la lamina de plexiglás
con un paño. Aquí el método utilizado para cargar tanto
la hoja como la lámina es el de frotación. Para
comprobar que dichos elementos quedan cargados de
forma contraria se realizan las siguientes actividades:
a) Se frota la lamina de plexiglás con un paño,
situar sobre esta el electróforo. Al mismo tiempo
conectar a tierra con ayuda de la barra de cobre el disco
del instrumento. En este proceso el electróforo se carga
por el método de inducción.
b) Al cargar la placa conductora del electróforo,
posteriormente se acerca al electroscopio hasta que
salte una chispa. Se debe tener en cuenta que
electroscopio debe estar sin carga.
Figura 5. Procedimiento III.
Ubicar dos láminas de acetato sobrepuestas.
Luego frotarlas con el paño, finalmente comprobar con el
electroscopio la carga que tiene cada una.
c) Descargar el electróforo con ayuda de la barra
de cobre. Cargarlo nuevamente como se menciono
anteriormente pero con una hoja de acetato. Finalmente
acercar el electróforo nuevamente al electroscopio
previamente cargado.
-Procedimiento IV
d) Repetir el procedimiento anterior pero en lugar
de cargar el electróforo con la hoja de acetato, usar la
lámina de plexiglás.
Determinar la velocidad con la que el electroscopio
se descarga. Para ello dejamos el electroscopio sin
ninguna interacción con otros elementos por
determinado tiempo (5 min.). Realizar un puente entre el
electroscopio con la barra de cobre y una cinta aislante.
Aquí por la falta de cinta aislante se utilizo un material
aislante como el PVC.
-Procedimiento II
-Procedimiento V
Figura 4. Procedimiento II.
Figura 6. Procedimiento V.
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Cargar el electroscopio por el método de inducción
como se mencionó anteriormente, encender un fosforo o
encendedor y acercarlo al electroscopio.
4. RESULTADOS
Como se mencionó anteriormente se tendrá en
cuenta el orden establecido por la guía de laboratorio. A
continuación se encuentran los resultados de cada
procedimiento:
-Procedimiento VI
Se realiza el montaje de un puente usando dos
electroscopios cargados con la misma carga (negativa o
positiva), en medio de ellos se van a ubicar los
diferentes elementos para comprobar sus propiedades
eléctricas.
-Procedimiento I
a) Cuando se carga el electróforo utilizando el
plexiglás este adquiere carga negativa. Se evidencia que
el electróforo está cargado porque se observa que al
acercarlo al electroscopio salta una chispa entre los dos
instrumentos mencionados.
b) El electroscopio luego de que salta una chispa
adquiere la misma carga que tenía el electróforo, es
decir, negativa. Esto se evidencia al observar que las
láminas del electroscopio se separan por la presencia de
la misma carga en cada una de ellas. Las láminas se
separan hasta un ángulo de 25∘. Esto quiere decir que
se presenta el fenómeno de repulsión entre cargas del
mismo tipo.
c) Para cargar el electróforo con el acetato se
utilizó el método de frotación. Esto quiere decir que no
se logró cargar el electróforo por medio del método
explicado en la guía, es decir, frotando la hoja de
acetato con un paño y luego colocando el electróforo
encima de ella y conectándolo (el electróforo) a tierra.
Figura 7. Procedimiento VI.
3.2 MATERIAL (EQUIPO)
La práctica “Fenómenos Electrostáticos” requiere
los siguientes materiales:
En este momento el electróforo adquiere carga
contraria que cuando se cargo con el plexiglás. Esto se
concluye a partir de observar que, al acercar el
electróforo al electroscopio cargado negativamente, el
ángulo entre sus láminas se redujo, es decir, que el
electróforo no aumentaba la cantidad de carga presente
en el electroscopio.
-Electróforo
-Electroscopio
-Hoja de Acetato
-Paño
-Bayetilla
-Lamina de Plexiglás
-Tubo PVC
-Barra de Ebonita
-Barra de Cobre
-Barra de Madera
-Caja de Fósforos
d) Al cargar el electróforo nuevamente con la hoja
de acetato y acercarlo al electroscopio cargado
inicialmente las láminas del electroscopio se separan
hasta un ángulo de 35°. Esto sucede gracias a que
aumenta la cantidad de carga del mismo signo.
-Procedimiento II
a) El electroscopio queda cargado por medio del
método de inducción. Se evidencia que el instrumento
queda cargado porque sus láminas quedan separadas
entre sí.
b) La carga del electroscopio es del signo opuesto
al objeto cargado. Esto se observó gracias a que luego
de cargar el electroscopio por medio de este
procedimiento, y volver acercar el objeto cargado las
láminas no aumentan el ángulo que las separa.
-Procedimiento III
Figura 8. Materiales usados en la práctica.
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Al frotar con paño las tiras de acetato una sobre la
otra, las tiras se cargan con signo contrario. Esto se
evidencia porque al acercar cada tira por separado al
electroscopio cargado la reacción de las láminas es
diferente.
continuación se
procedimiento:
encuentra
el
análisis
de
cada
-Procedimiento I
a) La carga se genera frotando una superficie
aislante por ejemplo, de plexiglás que se comporta muy
bien ya que es un excelente aislante y es fácil de limpiar
y mantener. El signo de la carga depende de la
naturaleza de la superficie aislante y del material
utilizado para frotarla.
Cuando acercamos la tira que estaba en la parte
superior las láminas del electroscopio cargado
disminuyen el ángulo entre ellas. Luego cuando
acercamos la tira que estaba en la parte inferior las
láminas del electroscopio cargado aumentan el ángulo
entre ellas.
Estos son algunos ejemplos de materiales
ordenados de carga positiva a negativo: Piel de conejo,
vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón,
madera, ámbar, poliéster, poliuretano, vinilo (PVC),
teflón. Suponemos que una carga positiva se distribuye
en la superficie del material aislante.
-Procedimiento IV
En primer lugar se observa que el electroscopio no
se descarga por sí solo. Al dejarlo mucho tiempo sin
interacción con otros elementos el ángulo entre las
láminas del electroscopio no cambio. Esto significa que
la cantidad de carga distribuida en cada una de las
láminas es la misma.
Cuando se estable el puente entre el electroscopio
y tierra mediante un elemento aislante no hay ninguna
reacción en ninguno de los dos elementos. En pocas
palabras el ángulo entre las láminas sigue siendo igual.
Figura 9. Funcionamiento Electróforo.
-Procedimiento V
La carga en el conductor se genera por inducción,
las cargas positivas son atraídas en la parte del
conductor más cercana a la superficie aislante y las
negativas son repelidas. Aunque el conductor se ponga
en contacto con la superficie aislante no se transfiere
carga negativa al conductor. Carga eléctrica negativa
fluye desde tierra, atraída por la carga positiva del
plexiglás, quedando el disco del electróforo cargado
negativamente, aun después de retirar la conexión a
tierra (cuando se quita el contacto a tierra esta carga
permanece en el electróforo).
Cuando el electroscopio se le acerca la llama no
sucede nada entre los dos elementos. Pero si el
electroscopio está cargado, ya sea positivamente o
negativamente, al acercarla llama el electroscopio se
descarga.
-Procedimiento VI
Para determinar las propiedades eléctricas de los
materiales se ubicaron como puente entre los dos
electroscopios cargados con la misma carga. Se
obtuvieron los siguientes resultados:
En principio, el conductor se puede cargar
cualquier número de veces repitiendo los pasos que se
muestran en figura 9.
Propiedades Eléctricas de los Materiales
Material
Reacción Electroscopio
Barra de Madera
Se descarga.
Tubo de PVC
No se descarga.
Barra de Ebonita
No se descarga.
Lamina de Radiografía
Se descarga.
Tela de Algodón
Se descarga.
Paño
No se descarga.
Jean
Se descarga.
Barra de Cobre
Se descarga.
Tabla 1. Propiedades Eléctricas de los Materiales
(Reacción)
b) Al acercar el electróforo al electroscopio y
cuando salta una chispa entre los instrumentos .El
electroscopio queda cargado negativamente, lo que
sucede es que al acercar el objeto cargado, por ejemplo
el electróforo cargado negativamente, los electrones se
desplazan hacia el extremo opuesto, es decir hacia las
laminas y ambas adquirirán carga negativa.
Al tener carga del mismo signo habrá entre ellas
una fuerza de repulsión, esta fuerza es suficientemente
grande para producir una separación entre ellas. La
deflexión del electroscopio persiste aunque se aleje el
electróforo.
5. ANÁLISIS
c) Al cargar el electróforo con una hoja de acetato
mediante fricción y acercarlo al electroscopio
previamente cargado las laminas en el electroscopio
Como se mencionó anteriormente se tendrá en
cuenta el orden establecido por la guía de laboratorio. A
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disminuyen el ángulo que las separa. Esto se debe a
que el electróforo queda cargado con carga positiva.
Sobre una de las esferas actúan tres fuerzas:
Esto se debe a que algunos materiales aislantes
son más propensos a cargarse negativamente o
positivamente según sus propiedades. Así, el electróforo
quedara cargado con carga contraria al material aislante.
Para ello utilizamos la siguiente lista que ordena algunos
materiales aislantes de positivos a negativos: Piel de
conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel,
algodón, madera, ámbar, poliéster, poliuretano, vinilo
(PVC), teflón.
-El peso (m.g)
-La tensión de la cuerda (T)
-La fuerza de repulsión eléctrica entre las esferas (F)
En el equilibrio:
-T*sen (q) =F
-T*cos (q) =m*g
Conocido el ángulo θ determinar la carga q,
dividiendo la primera ecuación entre la segunda, se
elimina la tensión T y se obtiene:
De esta forma se observa que la hoja de acetato
queda con carga negativa mientras que el electróforo
queda con carga positiva. Por esta razón el electróforo
queda con un exceso de protones sobre su superficie.
De acuerdo a lo anterior si el electroscopio tiene carga
negativa entonces tendrá un exceso de electrones.
-F=m*g·tan(θ)
Midiendo el ángulo θ obtenemos la fuerza de
repulsión F entre las dos esferas cargadas.
Esto tiene la consecuencia que al acercar el
electróforo al electroscopio; los protones en la superficie
del electróforo atraigan electrones del electroscopio. De
esta manera cuando el electroscopio pierde cantidad de
electrones entonces pierde su cantidad de carga, por lo
cual el ángulo entre sus láminas se disminuye.
Ahora se usa la “Ley de Coulomb”
Se calcula el valor de la carga q, si se conoce la
longitud d del hilo que sostiene las esferas cargadas.
d) Cuando se vuelve a cargar el electróforo con
una lámina de plexiglás este quedará nuevamente
cargado negativamente por las razones expuestas
anteriormente. Por este motivo al acercarlo nuevamente
al electroscopio cargado negativamente, el ángulo entre
las láminas aumenta.
Conocida la carga q, se determina el ángulo θ. Se
eliminan las T en las ecuaciones de equilibrio, donde se
obtiene la ecuación:
Esto quiere decir que de nuevo hay un traspaso
de electrones desde el electróforo hacia el
electroscopio. En otras palabras la cantidad de carga en
las láminas del electroscopio aumentara por lo cual abra
mayor fuerza de repulsión entre ellas. Esto indica que a
mayor fuerza de repulsión entre las láminas mayor será
el ángulo las separa.
La carga q está en mC y la masa m de la bolita en
g. Expresando el coseno en función del seno, llegamos
a la siguiente ecuación cúbica:
Con la demostración dada se explicar la existencia
de una carga del mismo signo entre las láminas o
esferas del electroscopio, entonces habrá una fuerza de
repulsión entre ellas que ocasiona que estén separadas
por un ángulo.
De la misma forma se ve una relación proporcional
entre la cantidad de carga de las láminas y su ángulo de
separación. Esto explica que al cagar nuevamente el
electroscopio con el electróforo cargado de nuevo con la
lámina de plexiglás, entonces aumenta la cantidad de
carga entre las láminas del electroscopio por lo cual el
ángulo entre ellas paso de 25 grados a 35 grados.[10]
Figura 10. Representación diagrama de cuerpo
libre de las láminas del Electroscopio.
No podemos hallar la cantidad de carga en las
láminas ya que el electroscopio estaba asilado, por lo
cual no es posible obtener el peso de las láminas. Por
otro lado tampoco se obtuvo la medida de las láminas
debido a la razón expuesta anteriormente. De esta
manera tenemos un sistema de de dos ecuaciones con
tres incógnitas, a saber, fuerza; d (longitud de las
láminas) y el peso de las láminas. Así, pues es
Un modelo simplificado de electroscopio consiste
en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con
cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos
hilos de longitud d, tal como se indica la figura x. A partir
de la medida del ángulo que forma una bolita con el
componente vertical, se calcula su carga q.
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imposible hallar la cantidad de carga en cada una de las
láminas.
Cuando se acerca la tira de acetato que estuvo en
la parte inferior se observo que las láminas del
electroscopio se separaban aun mas, es decir, el ángulo
entre ellas aumentaba. Esto demuestra que la carga de
la tira de acetato es negativa y que hubo un traspaso de
electrones entre la tira de acetato y el electroscopio. Por
tanto, la cantidad de carga en las laminas aumenta y
asimismo la fuerza de repulsión entre ellas por lo cual el
ángulo entre ellas aumenta.
-Procedimiento II
a) El método de electrización por inducción
consiste en que un cuerpo cargado eléctricamente
puede atraer a otro cuerpo que esta neutro. Cuando
acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se
establece una interacción eléctrica entre las cargas del
primero y el cuerpo neutro.
-Procedimiento IV
Como resultado de esta relación, la redistribución
inicial se ve alterada. Las cargas consigno opuesto a la
carga del cuerpo electrizado se acercan a este. 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. Esto es a lo que se denomina carga
eléctrica inducida. El cuerpo electrizado induce una
carga con signo contrario en el cuerpo neutro.
Como se explico en los resultados, el electroscopio
no se descargo pues las láminas se mantienen
separadas. Para explicar este fenómeno se recurre a la
ley de la conservación de la carga. Este principio
establece que no hay destrucción ni creación neta de
carga eléctrica, y afirma que en todo proceso
electromagnético la carga total de un sistema aislado se
conserva.
b) La descripción del proceso de electrización por
inducción demuestra como al cargar un objeto, por
ejemplo, la barra de PVC, que queda cargada
negativamente (según el listado de elementos de
positivos a negativos) entonces esta al acercarse al
electroscopio conectado a tierra induce una carga
positiva sobre este.
Para recordar es preciso decir que en el
electroscopio las láminas son un sistema aislado por lo
cual la carga que estas adquieren se conservara. En un
proceso de electrización, el número total de protones y
electrones no se altera, sólo existe una separación de
las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni
creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se
conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde
antes no había, pero siempre lo harán de modo que la
carga total del sistema permanezca constante.
En otras palabras, hay un exceso de electrones en
la barra de PVC quedando cargada negativamente, lo
cual hace que se atraigan protones desde tierra al
electroscopio. Así, la carga del electroscopio es de signo
opuesto al objeto cargado.
Además esta conservación es local, ocurre en
cualquier región del espacio por pequeña que sea. Esto
quiere decir que si las laminas del electroscopio están
cargadas tanto positivamente como negativamente
entonces el número total de protones (carga positiva) o
el número total de electrones (carga negativa) no
cambiara.
-Procedimiento III
En esta parte de la experimentación se frota con un
paño las dos tiras de acetato una sobre otra. Para
determinar la carga de cada tira de acetato se hizo lo
siguiente:
Al colocar un puente entre el electroscopio y la
tierra con un material aislante no sucede nada en las
láminas del electroscopio. Esto sucede debido a que un
material aislante es aquel en que las cargas se mueven
con mucha dificultad. Para complementar esto es
necesario establecer que los materiales se pueden
clasificar en términos de su capacidad para conducir
carga eléctrica. Así, mientras los aislantes son aquellos
materiales para los cuales es difícil conducir la carga, los
materiales conductores son aquellos en los que la carga
eléctrica se mueve con gran libertad. Una tercera clase
de materiales son los semiconductores, cuyas
propiedades eléctricas fueron explicadas en el marco
teórico.
Inicialmente se cargo el electroscopio con una
carga negativa con la utilización del electróforo como se
explico anteriormente. Asimismo las láminas del
electroscopio quedaron separadas por la presencia de la
misma carga en cada una de ellas. Posteriormente se
acerca cada una de las tiras de acetato al electroscopio
y se observa la reacción en sus láminas. Cuando se
acerca la tira de acetato que estuvo en la parte superior
se observo que las láminas del electroscopio reducirían
su ángulo de separación.
Esto explica que la carga de la tira de acetato de la
parte superior es positiva, pues al haber un exceso de
protones en su superficie, estos protones van atraer a
los electrones presentes en las laminas del
electroscopio. Así, esto tiene como consecuencia que
haya una disminución de cantidad de carga en el
electroscopio por lo cual el ángulo que las separa se
reduce.
-Procedimiento V
Cuando se acerco una llama al electroscopio
cargado tanto positivamente como negativamente el
electroscopio se descargo. Esto sucede gracias a que
todas las cosas que están en la naturaleza son
conductoras, por tanto la llama no es la excepción. El
9
Universidad Nacional de Colombia. Laguna, Prieto. Fenómenos Electrostáticos
.
problema está en qué medida la llama está en
capacidad para transportar carga. Por lo observado al
descargarse el electroscopio se demuestra que la llama
es conductora.
carga del cuerpo cargado. (Los electrones en la parte del
papel cercano al cuerpo emigran al lado opuesto del
papel).
En la mayoría de los átomos y moléculas neutros,
el centro de carga coincide con ele centro de carga
negativa. Sin embargo en presencia de un objeto
cargado, estos centros pueden ser desviados
ligeramente, resultando mas positiva la carga de un lado
que del otro. Este efecto es conocido como polarización.
Así, este reacomodo de cargas en cada una de las
moléculas produce una carga inducida en la superficie
del aislador (papelitos).
Además el fósforo con el cual acercamos la llama
estaba sujeto por nosotros, es decir, estaba conectado a
la tierra. Esto pudo haber facilitado que el electroscopio
se descargara con rapidez. De esta manera los
elementos se clasificarían de la siguiente manera:
Propiedades Eléctricas de los Materiales
Material
Clasificación
Barra de Madera
Conductor
Tubo de PVC
Aislante
Barra de Ebonita
Aislante
Lamina de Radiografía
Conducto
Tela de Algodón
Conducto
Paño
Aislante
Jean
Conducto
Barra de Cobre
Conducto
Tabla 2. Propiedades Eléctricas de los Materiales
(Clasificación)
¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método
de frotamiento?
Si es posible cuando al frotarlo se sostiene con un
mango de vidrios o de plástico y el metal no se toca con
las manos al frotarlo. Las cargas se pueden mover
libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que los
iría descargando en cuanto se produjeran, mientras que
el plástico y el vidrio aislaría eléctricamente el metal del
cuerpo humano no permitiendo la circulación de cargas.
Esto se comprobó mediante la experimentación al
cargar el electróforo con la hoja de acetato por medio de
la frotación.
-Procedimiento VI
Los resultados obtenidos son que para los
elementos que permiten que se descarguen los dos
electroscopios demuestra que aquellos elementos tienen
capacidad conductora, es decir, tienen facilidad para
transportar carga eléctrica. Por el contrario, los
elementos mediante los cuales se hacia un puente entre
los dos electroscopios cargados, y los electroscopios no
se descargaban, entonces eran materiales aislantes.
¿En que momentos de la vida cotidiana se observan
fenómenos de electricidad estática? Si estos fenómenos
son molestos ¿Como podrían evitarse?
Los momentos más comunes en la vida cotidiana
donde se observan fenómenos de electricidad estática
son:
El fundamento teórico reside en la definición de los
materiales conductores y aislantes. Como se explicó
anteriormente los materiales conductores son aquellos
en los que las cargas eléctricas se mueven con gran
libertad, en tanto que en los materiales aislantes las
cargas se mueven con gran dificultad. Así pues los
materiales conductores que hicieron un puente entre los
electroscopios permitieron una redistribución de carga
entre ellos y los dos electroscopios teniendo como
consecuencia que estos se descargaran. En
contraposición a lo anterior los elementos aislantes no
permitieron la redistribución de carga por su propiedad
aislante, lo que ocasionó que las láminas de los
electroscopios se mantuvieran separadas.
-Al tocar la chapa del coche.
-Si frotamos bolígrafo con ropa se pueden atraer
pequeños trozos de papel.
-Cuando se camina por alfombra y se toca el pivote
de la puerta metálico.
-Cuando se peina se pueden recoger pedazos de
papel con el peine.
-Usuarios de automóviles al cerrar con la llave.
(Objetos metálico puntiagudos)
Para evitarse
recomienda que:
los
momentos
incómodos
se
-No usar ropa de lana o ropa sintética pues se
cargan con gran facilidad. (No ropa acrílica)
-No usar cierto tipo de alfombras.
-Descargarse estáticamente tocando algún objeto
metálico (Tocar pared)
-Calzado con suela de cuero y no de goma
-Usar en el piso suelo de goma.
-Preguntas
¿Por que un cuerpo cargado atrae pequeños trozos de
papel neutro?
Por que se carga por inducción. La región de los
papeles más cercana al cuerpo cargado obtendrá un
exceso de cargas del signo contrario a la carga del
cuerpo cargado, mientras que la región de los papales
más lejana al cuerpo obtendrá un exceso de la misma
¿Como influye la humedad del ambiente en la
descarga del electroscopio?
Los experimentos de electrostática se realizan
mejor en un día seco ya que una cantidad excesiva de
10
Universidad Nacional de Colombia. Laguna, Prieto. Fenómenos Electrostáticos
.
humedad puede producir una fuga de carga del cuerpo
electrizado hacia la tierra, a través de diversas
trayectorias.
6. CONCLUSIONES
Existen dos fuerzas en presencia de dos cargas:
repulsión en presencia de cargas del mismo tipo, y
atracción para cargas de distinto tipo. Al haber repulsión
el ángulo entre las láminas del electroscopio es
proporcional a la cantidad de carga con la que se cargo
el electroscopio.
Se concluye que hay materiales los cuales tienen
la propiedad de transportar fácilmente carga eléctrica,
mientras que otros no la tienen.
Existencia de tres métodos para electrificar un
material: Conducción, inducción, frotación
7. REFERENCIAS
[1] « ¿Qué es la carga eléctrica? en Kalipedia
Colombia».
[En
Línea].
Disponible
en:
http://co.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/cargaelectrica.html?x=20070924klpcnafyq_303.Kes&ap=0.
[Citado el: 28-Ago-2011].
[2] «Fuerza eléctrica - FisicaPractica.Com». [En Línea].
Disponible en:
http://www.fisicapractica.com/fuerzaelectrica.php. [Citado el: 28-Ago-2011].
[3] «Campo Eléctrico. Faraday. Cargas Eléctricas.
Concepto,
Definición».
[En
Línea].
Disponible
en:http://www.jfinternational.com/mf/campoelectrico.html. [Citado el: 29-Ago-2011].
[4] «LEY DE COULOMB». [En Línea]. Disponible en:
http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/LeydeCoulomb.
html. [Citado el: 29-Ago-2011].
[5] «Ley de conservación de la carga». [En Línea]
Disponible
en:
http://laplace.us.es/wiki/index.php/Ley_de_conservaci%
C3%B3n_de_la_carga. [Citado el: 29-Ago-2011].
[6] «ELECTRÓFORO DE VOLTA». [En Línea].
Disponible
en:http://www.maquinascientificas.es/04fen%F3menos%
20electrost%E1ticos.htm. [Citado el: 29-Ago-2011].
[7] «Electricidad, Electroscopio». [En Línea]. Disponible
en:
http://www.mflor.mx/materias/temas/electricidad/electrici
dad.htm. [Citado el: 29-Ago-2011].
[8] «Materia y electricidad». [En Línea]. Disponible en:
http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema7/te
ma7.html. [Citado el: 29-Ago-2011].
[9] «Carga Eléctrica Y Sus Propiedades». [En Línea].
Disponible
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usPropiedades. [Citado el: 29-Ago-2011].
[10]
«La ley de Coulomb». [En Línea]. Disponible
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_electrico/fuerza/fuerza.htm. [Citado el: 29-Ago-2011].
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