EXPERIMENTOS Nos. 3 y 4 FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS

EXPERIMENTOS Nos. 3 y 4
FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS
EXPERIMENTO 1: Electrostática
Objetivos
• Obtener cargas de distinto signo mediante varios métodos y sus características
• Uso del electroscopio como detector de carga eléctrica.
• Visualizar y analizar el efecto jaula y efecto punta experimentalmente.
Introducción
Carga Eléctrica
En general los cuerpos se encuentran en estado
neutro, es decir contienen la misma cantidad de
carga positiva como negativa. Para lograr un
desequilibrio de carga es necesario poner en
contacto dos cuerpos distintos.
Es el exceso de carga de un cuerpo, ya sea positiva
o negativa. Es la ausencia, pérdida o ganancia de
electrones.
Carga por Contacto:
Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Por ejemplo, si se pone
en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferirá la carga a este. Si el cuerpo es
un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las
cargas del mismo tipo se repelen entre si. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario
hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribución más o menos
uniforme de la carga.
Carga por inducción:
Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los
electrones se mueven en la superficie conductora.
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.
¿Qué es un electroscopio? Dispositivo que sirve para detectar carga eléctrica de un objeto. Los
electroscopios están en desuso debido al desarrollo de instrumentos electrónicos mucho más
precisos, pero todavía se utilizan para hacer demostraciones. El electroscopio más sencillo está
compuesto por dos conductores ligeros suspendidos en un contenedor de vidrio u otro material
aislante.
Efecto punta
La densidad de carga eléctrica en un
conductor es mayor en los bordes
puntiagudos. Lo que implica que el modulo
del campo eléctrico es mayor en esa región.
¿Por qué? Esta propiedad fue aprovechada
por Benjamín Franklin para diseñar el
pararrayos.
Jaula de Faraday
El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electrostático en el interior de un conductor en
equilibrio sea nulo. Dicho efecto jaula se pone de manifiesto en numerosas situaciones de la vida
cotidiana. Por ejemplo, es el responsable de que no funcionen bien los celulares en el interior de
muchos ascensores, o dentro de un edificio con estructura de rejilla de acero.
Procedimiento Experimental
1.- Realice un experimento que le permita demostrar:
• con los materiales disponibles en el laboratorio que los
estados de la materia se pueden electrizar.
• que los cuerpos cargados eléctricamente se pueden
atraer o repeler.
• con los materiales disponibles en el laboratorio que los cuerpos se pueden cargar por frotamiento.
• que si se carga eléctricamente un electroscopio. Luego se pone
en contacto utilizando distintos materiales con otro electroscopio,
se observa que en algunas de estas situaciones se descarga y en
otras no, con este método discrimine que materiales son aislantes
y cuales son conductores.
2.- Observe experimentalmente el efecto jaula (Jaula de
Faraday), En una pequeña jaula de metal con materiales
conductores livianos suspendidos tanto por fuera como por
dentro, se carga utilizando con el generador de Van der Graff.
Observe como los electroscopios o péndulos que se
encuentran dentro y fuera de la jaula. Anote sus observaciones
y explique porqué.
3.- Observe experimentalmente el efecto punta. Coloque una
aspa de tres brazos ubicada sobre un soporte que le permite
girar, se carga eléctricamente por medio del generador de Van
der Graff. ¿Que sucede?, se puede observar que el aspa gira
en sentido contrario a la dirección de las puntas de cada brazo.
Explique porqué.
4.- Determine las formas en que se puede cargar un cuerpo y muestre experimentalmente cada
una de ellas. Ver figuras anteriores.
Análisis Experimental
• Considera cuatro objetos eléctricamente cargados. Se sabe que el objeto A repele al B, mientras
que el A atrae el objeto C y este ultimo repele al D. Sabemos que el D esta cargado positivamente.
¿Qué tipo de carga tiene el objeto B?.
• Cuando se desea tener una barra con carga (+), ¿debe eliminar todas las cargas negativas?
Si se acerca una barra electrizada a un electroscopio cargado positivamente, las
láminas al principio se juntan y luego se separan, ¿Qué carga tiene la barra?
• ¿Qué debería suceder si se conectan por sus partes superiores dos electroscopios
idénticos, igualmente cargados?
EXPERIMENTO 2: Campo y potencial eléctrico
Objetivos
• Visualizar y analizar experimentalmente líneas de campo eléctrico formadas por diferentes
electrodos
Introducción
Decimos que en una región del espacio existe un campo eléctrico E.
cuando al poner una carga en reposo en esa región, ésta experimenta una fuerza eléctrica dada
por:
.
Por lo general el campo eléctrico se origina en las cargas eléctricas, ya sea cargas puntuales o
distribuciones de ellas. Podemos decir que el campo eléctrico es una de las formas en que la
presencia de cargas altera las propiedades del espacio que lo rodea.
En el caso de una carga puntual el campo está dado por la Ley de Coulomb y es proporcional a la
carga que lo produce e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia siendo su dirección
radial.

q
E  k 2 rˆ
r
9
2
2
donde q se mide en Coulomb (C), r en metros (m) y k  9  10 Nm / C .
En la Figura 1 se ha representado este campo en forma de líneas radiales orientadas hacia fuera y
en la Figura 2 se muestra la forma que tiene el campo eléctrico (línea continua) cuando tenemos
dos cargas de igual magnitud y signos opuestos.
Figura 1. Representación de las líneas de campo para una carga puntual. El campo eléctrico es
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, radial y si la carga es positiva, su sentido es
hacia fuera.
Figura.2. Líneas de campo (trazo continuo) debidas a dos cargas puntuales, una positiva a la
izquierda y una negativa a la derecha. Las líneas de puntos representan las equipotenciales para
esta configuración.
El potencial corresponde a otra forma de describir y estudiar el problema eléctrico en forma
absolutamente equivalente a como lo hacemos con el campo eléctrico. El potencial es una
magnitud que está íntimamente relacionada con la energía (energía potencial eléctrica) y por lo
tanto es un escalar.
Además, campo eléctrico y potencial están relacionados entre sí, de hecho, el campo eléctrico es
siempre perpendicular a las superficies o líneas de igual valor del potencial o equipotenciales
(líneas punteadas que en la Figura 2), apunta en la dirección en que el potencial decrece y la
magnitud del campo eléctrico es igual a la razón entre la diferencia de potencial entre dos
equipotenciales muy cercanas y la distancia que las separa, esto es (ver Figura 2):
Materiales
1 generador de Van der Graff
1 electroscopio
Barras de plástico ( PVC) y vidrio
Pelotitas de plumavit
Piso aislador
2 péndulos electrostáticos
1 cubeta con vaselina liquida
2 Electrodos paralelos
1 Electrodo puntual
1 Electrodo cilíndrico grande
1 Electrodo cilíndrico chico
2 Cables
Montaje
Figura 3. Montaje experimental
El montaje con el que trabajará se ha representado en la Figura 3 que corresponde al caso de una
carga positiva a la izquierda y una negativa a la derecha, similar a lo representado en la Figura 2.
La punta de prueba le permite visualizar la configuración de campo eléctrico correspondiente a dos
cargas de distinto signo.
Procedimiento experimental
Electrodos puntuales
• Para visualizar las líneas de fuerza del campo eléctrico
entre los dos electrodos mostrado en la Figura 2 el
procedimiento a seguir es el siguiente:
Coloque dentro de una cubeta con vaselina electrodos
puntuales y conéctelos al generador de Van der Graff,
deposite en forma uniforme sémola en la superficie y haga
funcionar el generador.
Otros electrodos
• Cambie los electrodos puntuales por los electrodos planos
como se le indica en la figura.
• Reemplace por dos electrodos concéntricos y estudie lo que
ocurre en cada zona determinada por ellos, en la figura se
colocó un sólo electrodo.
Análisis Experimental
1. Explique que entiende por línea de fuerza y que características tienen
2. Dibuje y analice las diferentes configuraciones de campo eléctrico para diferentes electrodos.
3. Analice que sucede con el campo eléctrico cuando se colocan dos placas paralelas
4. ¿Cuál es la característica del campo eléctrico de cada una de las tres zonas determinadas
por los electrodos concéntricos? Comente brevemente.