informe de laboratorio de electromagnetismo n° 1 fuerza

INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N° 1
FUERZA ELECTROSTÁTICA
MELISSA MILETH MARTÍNEZ MAESTRE
YULEIDIS KARINA FUENTES QUINTERO
ISABEL CRISTINA ARENAS MÉNDEZ
WILSON BARROS AARÓN
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y TECNOLÓGICAS
ELECTROMAGNETISMO
GRUPO 12
VALLEDUPAR
2015 – I
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INFORME DE LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO N° 1
FUERZA ELECTROSTÁTICA
MELISSA MILETH MARTÍNEZ MAESTRE
YULEIDIS KARINA FUENTES QUINTERO
ISABEL CRISTINA ARENAS MÉNDEZ
WILSON BARROS AARÓN
Trabajo presentado como requisito de evaluación parcial en la asignatura de
electromagnetismo, al Profesor
Lic. Juan Pacheco Fernández
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y TECNOLÓGICAS
VALLEDUPAR
2015 – I
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TABLA DE CONTENIDO
1. Objetivo --------------------------------------------------------------------------2. Marco teórico -------------------------------------------------------------------2.1. Conceptos básicos --------------------------------------------------------3. Materiales y Equipos ---------------------------------------------------------4. Procedimiento -------------------------------------------------------------------5. Preguntas para el análisis de resultado ----------------------------------6. Análisis de resultado ----------------------------------------------------------6.1. Montaje con el electroscopio -------------------------------------------7. Conclusión -----------------------------------------------------------------------8. Bibliografía ------------------------------------------------------------------------
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PRESENTACIÓN
Charles Agustín Coulomb Físico francés. Nacido en Angulema fue el primero en
establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar muchas
investigaciones sobre: magnetismo, rozamiento y electricidad. Su celebridad se
basa sobre todo en que enunció la ley física que lleva su nombre (ley de Coulomb),
que establece que la fuerza existente entre dos cargas eléctricas es proporcional al
producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcionales al cuadrado de la
distancia que las separa. Las fuerzas de Coulomb son unas de las más importantes
que intervienen en las reacciones atómicas.
En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión
que ejercen entre si dos cargas eléctricas, y estableció la función que liga esta
fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo
establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas,
actualmente conocido como ley de Coulomb: F = k (q q') / d2.
Coulomb también estudio la electrización por frotamiento y la polarización, e
introdujo el concepto de momento magnético. También colaboró en la planificación
del sistema métrico decimal de pesas y medidas. La unidad de medida de carga
eléctrica, el culombio, recibió este nombre en su honor.
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1. OBJETIVO
Cargar cuerpos eléctricamente por frotamiento y observar la fuerza entre cuerpos
cargados eléctricamente y además, determinar si un cuerpo posee carga eléctrica
usando el electroscopio.
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2. MARCO TEÓRICO
Existe evidencia arqueológica relevante (pila, plateado de objetos, pararrayos, etc.)
como la encontrada en las orillas del rio Tigris al sur de Bagdad, que fundamenta la
afirmación sobre el conocimiento que se tenía de la electricidad en el imperio
Babilónico, mil o dos mil años antes de los griegos. La propiedad que tienen algunos
materiales de atraer otros cuerpos como pelusas, hilos y trocitos de paja, se conocía
muy bien en la antigüedad en Grecia, Roma y Persia.
Sin embargo, los primeros reportes escritos sobre la atracción del ámbar (resina
fósil) se remonta a los textos antiguos de los griegos. Tales de Mileto en el año 600
A.C sabían que el ámbar frotado atraía objetos pequeños tales como plumas o
pajitas. El ámbar tenía otra propiedad misteriosa: al frotarlo en la oscuridad producía
pequeñísimas chispas azuladas acompañadas de un leve crujido y un susurro que
apenas se oía. De estos hechos deriva el término electricidad, el cual proviene de
elektron, que significa ámbar (“que atrae”) en griego.
En 1600, William Gibert demostró que muchas sustancias distintas al ámbar
adquiere una propiedad atractiva cuando se frotan, es decir, descubrió que el
fenómeno de electrificación era un fenómeno general y no solamente del ámbar.
Introdujo el término “fuerza eléctrica” para describir la interacción de dos objetos
cargados por fricción y determinó que podría de atracción o repulsión. También
inventa un primer modelo para explicar la electrización de un cuerpo por fricción.
En 1729, Stephen Gray, descubrió que la atracción y la repulsión eléctrica pueden
transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante determinadas
sustancias, en especial metales. Él observó que un corcho colocado en el extremo
de un tubo de vidrio frotado, atraía objetos livianos. Colocó el clavo por una barra
metálica y el efecto fue el mismo. Usó una barra más larga colgada de cordones de
seda y notó que su extremo aún atraía. Como no tenía más metal, ató a la barra un
hilo de cáñamo colgado de hilos de seda y observó lo mismo. De esta manera logro
transmitir la electricidad hasta 150 metro. Concluyó que la electricidad fluye. Probó
que los metales transmiten muy bien la electricidad y los llamó conductores; y que
otros materiales generan electricidad y los llamó eléctricos.
En 1733 Charles Dufay, descubrió que existían os tipos de electricidad: una se
obtiene al frotar un trozo de cristal y la otra al frotar un trozo de resina. Anunció que
la electricidad consistía de dos fluidos: el “vítreo” (de vidrio) y el “resinoso” (de
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resina). Según él, sin electrizar, la materia es neutra y contiene la misma cantidad
de los dos fluidos; por la fricción, éstos se separan produciendo un desbalance en
las cantidades de los fluidos, quedando así electrizada. Se dio cuenta que, los
mismos tipos de electricidad se repelían entre sí y los opuestos se atraían.
En 1752 Benjamin Franklin, presentó la teoría del fluido único para explicar los dos
tipos de electricidad, positiva y negativa. Estableció el uso convencional de positivo
y negativo, en vez de vítreo y resinoso, para distinguir los tipos de electricidad, y
encontró que un cuerpo conductor se puede cargar si se aísla de los que los rodean.
En 1767 Joseph Priestley, estableció que las cargas eléctricas se atraían con una
fuerza inversamente proporcional a la distancia que las separan. En 1776 Charles
Coulomb, inventó la balanza de torsión con la cual, midió con exactitud la fuerza
entre las cargas eléctricas y corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto
de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que las separa.
2.1.
CONCEPTOS BÁSICOS
Interacción entre cargas eléctricas. Hay muchos experimentos sencillos que
demuestran la existencia de fuerzas electrostáticas. Por ejemplo, después de
peinarse el pelo, puede comprobarse que el peine atrae trocitos de papel. La fuerza
de atracción electrostática es a veces tan intensa que puede suspender los trocitos
de papel en el aire. Se produce el mismo efecto cuando se frotan otros materiales,
como el vidrio o el caucho.
Carga eléctrica. Cuando los materiales se comportan del modo descrito
anteriormente, decimos que están cargados eléctricamente. Puede cargar su
propio cuerpo eléctricamente al caminar sobre una alfombra de lana o deslizarse
sobre el asiento de un carro. Puede entonces sentir y eliminar la carga de su cuerpo
tocando a otra persona. (Este experimento funciona mejor si el tiempo es seco,
puesto que, si el aire está excesivamente húmedo, puede proporcionar un camino
para que la carga salga del cuerpo).
Tipos de carga. Los experimentos demuestran también que hay dos tipos de carga
eléctrica, denominados carga positiva y negativa por Benjamin Franklin. La figura
1 muestra la interacción entre dos tipos de carga. Una varilla de caucho (o plástico)
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que se ha frotando con pelo de un animal (o un tejido acrílico) se suspende de un
hilo.
Cuando se acerca a la varilla de caucho una varilla de vidrio que se ha frotado con
seda, la varilla de caucho es atraída hacia la de vidrio (figura 1a). Por lo contrario,
si se acerca dos varillas de caucho (o dos varillas de vidrio), como se observa en la
figura 1b, la fuerza que aparece entre ambas es repulsiva. Este hecho experimental
demuestra que el caucho y el vidrio tienen tipos de carga diferentes de carga. Se
usa la convención propuesta por Franklin: la carga eléctrica de la varilla de vidrio se
denomina positiva y la de la varilla de caucho se denomina negativa. A partir de
observaciones como ésta, podemos generalizar diciendo que las cargas del
mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.
Otra característica importante de la carga eléctrica es que la carga neta de un
sistema aislado siempre se conserva. Cuando dos objetos, inicialmente
descargados, se cargan frotando uno contra el otro, no se crea carga en el proceso.
Los objetos se cargan porque hay una transferencia de electrones de un objeto a
otro.
Conductores y aislantes. Las cargas eléctricas pueden también desplazarse de
una posición a otra dentro de un objeto; este desplazamiento de carga se denomina
conducción eléctrica. Es conveniente clasificar las sustancias dependiendo de la
facilidad con la que permiten que la carga se desplace en su interior:
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Un conductor es un material en el que la carga puede moverse de manera
relativamente libre; un aislante es un material en el que la carga no puede moverse
libremente.
Electroscopio. Es un instrumento de prueba que se usa para comprobar si un
cuerpo se encuentra cargado o no de electricidad, así como también para identificar
el tipo de carga que éste posee.
En particular, en la figura 2 se muestra un modelo construido por fiel metálico
suspendido de un eje que lo atraviesa perpendicularmente y colocado cerca de su
centro de masa. De esta forma se mantiene en equilibrio mecánico estable en un
soporte también vertical, y que a su vez, sustenta un disco colector de carga en su
extremo superior. Toda esta estructura es metálica (conductora) y se sostiene de
un disco de plexiglás (aislante), montado en una carcasa también de metal. En
otra versión, se sustituye el pitillo por dos láminas metálicas (aluminio) muy
delgadas.
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3. MATERIALES Y EQUIPOS
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




2 Barras de baquelita o PVC
2 Barras de vidrio
2 Barras metálicas
2 Pivotes para rotación
2 Paños de seda para frotar
1 Electroscopio
4. PROCEDIMIENTO
1 Frote 2 barras de baquelita o PVC con el paño de lana y dos barras de vidrio con
un paño de seda. Coloque una de las barras frotadas de PVC sobre uno de los
pivotes y una de las barras de vidrio sobre el otro pivote y acérqueles, a cada una
de ellas, primero la barra de vidrio frotada y luego la otra barra de PVC. Tome nota
de lo observado.
2 Acerque el plato del electroscopio a cada una de las barras frotadas. Observe si
hay deflexión en su hojilla.
3 Reemplace la barra en uno de los pivotes por una barra metálica. Acérquele
primero una de las barras de PVC frotadas, luego una de vidrio frotada y por último
otra barra metálica. Observe el tipo de interacción en cada caso.
5. PREGUNTAS PARA EL ANÁLISIS DE RESULTADO
1. Explique a qué se debe la atracción o repulsión de las barras.
“Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se
atraen”, a partir de este hecho podemos decir que la atracción o repulsión de
las barras se debe a las cargas eléctricas, que pueden ser positivas o
negativas. También existe la atracción y repulsión de las barras debido a la
transferencia de electrones de un objeto a otro.
2. ¿Qué puede decir sobre los tipos de carga que aparecen sobre las barras de
PVC y de vidrio?
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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 el laboratorio observamos que al frotar las barras de pvc y vidrio se
mueven en ambos sentidos, esto quiere decir que existe cargas de signo
contrario por lo tanto se repelen.
3. ¿De qué tipo es la carga que aparece en la hojilla del electroscopio al
acercarle un cuerpo cargado?
El electroscopio detecta un cuerpo cuando está cargado eléctricamente ya
sea una carga positiva o negativa. Si se le acerca un cuerpo cargado
negativamente, la carga que tendría la hojilla sería positiva, mientras que si
se le acerca un cuerpo cargado positivamente, la hojilla tendría mayor
concentración de carga eléctrica negativa.
4. ¿Por qué las dos barras metálicas no interaccionan entre ellas, pero si
interaccionan con las barras de baquelitas o de vidrio?
Debido a que el metal es un material conductor, al frotar esta barra vuelve a
su estado normal debido a que cuando tiene contacto con el cuerpo humano,
este es un buen conductor de la energía eléctrica lo que hace que le devuelve
los electrones perdidos o le quita los electrones ganados.
Por otro lado, cuando la barra de metal interacciona con la barra de baquelita
o la de vidrio podemos notar que se genera movimiento de atracción lo que
hace que las cargas eléctricas opuestas en la barra de metal adquieren la
posición más cercana de las cargas que tengas las otras barras.
5. La teoría afirma que solo existen dos tipos de carga eléctrica (negativa y
positiva), esto implica que si un cuerpo A atrae eléctricamente a otro cuerpo
cargado B y también atrae a un tercer cuerpo cargado C, entonces los
cuerpos B y C deben repelarse eléctricamente. ¿Cómo se explica entonces,
que en el punto 3 del procedimiento, la barra metálica se atrae con la barra
de PVC frotada y con la de vidrio frotado pero las de vidrio y PVC no se
repelen si no se atraen? ¿Falla la teoría?
Debido a que el vidrio en su estado normal tiene un tipo de carga negativa y
el tubo de plástico positivamente, por esto al no ser frotados se atraen, y en
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el caso de ser frotados también se atraen por tener cargas contrarias,
entonces no falla la teoría.
6. ANÁLISIS DE RESULTADO

Frotamos 1 barra de baquelita o PVC con el paño de lana y una barra de
vidrio con un paño de seda, luego colocamos la barra frotada de PVC
sobre un pivote y le acercamos la barra de vidrio, se pudo observar que
al acercarse existe atracción entre ellas ya que estos son materiales
aislantes y presentan gran resistencia a que las cargas que se forman se
desplazan. (Figura 1)
(Figura 1)

Al frotar la barra de vidrio y la barra de metal con el paño de seda se pudo
observar que estas se repulsaron pero se obtuvo un movimiento mínimo
lo que quiere decir que el campo magnético que se creó entre ellas fue
muy mínimo. (figura 2)
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(Figura 2)

Se froto una barra de baquelita o PVC y una barra de metal, observamos
en la experiencia que estas dos se atraen ya que su polarización es igual,
pero pasa lo mismo que en proceso anterior lo que hace que el campo
magnético sea mínimo. (figura 3)
(Figura 3)

Al frotar las dos barras de metal y llevarlas al montaje se pudo observar
que estas quedan neutras, esto se debe a que el metal se descarga con
mucha facilidad quedando sin carga alguna. (figura 4)
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(Figura 4)

Al frotar las dos barras de PVC con el paño de seda estas se cargaron
eléctricamente esto se debe al potencial de ionización. De tal manera que
al llevar una de estas barras al pivote y acercarle la otra barra, se puede
observar que estas se repelan, ya que tienen la misma carga. (figura 5)
(Figura 5)

Se frotaron las dos barras de vidrio con el paño de seda y llevarlas al
montaje se pudo observar, que estas dos barras se repelaron ya que
estas poseían iguales cargas eléctricas. (figura 6)
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(Figura 6)
6.1.
MONTAJE CON EL ELECTROSCOPIO
Al frotar cada una de las barras y llevarlas al electroscopio observamos lo siguiente:



Cuando se froto con la baquelita o PVC y se acercó al electroscopio se
flexiono la hojilla lo que quiere decir es que existe una carga positiva y por
tanto se crea un campo magnético. (figura 7)
Al momento de frotar la barra de metal y al frotarlo al electroscopio no se
presenta ningún movimiento en las hojillas. (figura 8)
Al frotar la barra de vidrio y al acercarlo al electroscopio se observó un
movimiento mínimo de la hojilla. (figura 9)
(Figura 7)
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(Figura 8)
(Figura 9)
De lo anterior se puede deducir que si las cargas eléctricas se mantienen
constantes, la fuerza de atracción o de repulsión entre ellas es, en valor absoluto,
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Si ambas
cargas tienen el mismo signo, es decir, si ambas son positivas o ambas negativas,
la fuerza es repulsiva. Si las dos cargas tienen signos opuestos la fuerza es
atractiva.
Por consiguiente, se puede mencionar de la experiencia realizada con las barras
metálicas al momento de ser frotadas, las cargas pueden moverse libremente en
ella, mientras que en las barras de baquelita y vidrio ocurre lo contrario, es decir, al
frotarlas no es permitida la circulación de la carga debido a que en estos materiales
los electrones están unidos a sus respectivos átomos el cual no poseen electrones
libres y será imposible su desplazamiento.
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7. CONCLUSIÓN
De lo anterior se puede concluir que la materia contiene dos tipos de cargas
eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen
cantidades iguales de cada tipo de carga.
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. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen. Los
objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.
El método utilizado para producción de carga eléctrica es un método por frotamiento
en cual consiste en frotar varillas de diferentes materiales como por ejemplo vidrio,
metal y baquelita o PVC (arrancando de esta manera las cargas encontradas en
ellas) y transfiriéndolas hacia el electroscopio.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el
tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si la laminillas se
abre significa que el objeto está cargado del tipo contrario de carga del que tiene el
electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos
iguales.
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8. BIBLIOGRAFÍA
 www.mostolesmuseo.com/maquinas_cientificas. consultado 20/03/2015
 C.C. Darío, O. B. Antalcides, “Física Electricidad para estudiantes de
Ingeniería”. Ediciones Uninorte (2008). Consultado 20/03/2015
 Sears, Zemansky, Young, Freedman. “Física Universitaria”. Edición 11
Volumen 2. Consultado 20/03/2015
 http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Polarizacion.html
20/03/2015
consultado
 http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio Consultado 20/03/2015
 http://www.famaf.unc.edu.ar/~anoardo/electrostatica.pdf
20/03/2015
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Consultado