Fenómenos Electroestáticos Laboratorio 1.docx

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Fenómenos Electroestáticos Yesid Fernando Ayala (ID 220605), Ingeniería industrial, Corporación Minuto de Dios Bogotá Agosto 30 de 2018

Resumen: Este laboratorio se ejecutó con un fin específico el cual fue el poder reconocer y comprender como un cuerpo puede adquirir cualquier tipo de carga dependiendo su composición física y la conductividad como capacidad de resistencia de los materiales ante el flujo de carga. Empleando así materiales como la ebonita, madera, vidrio, metal, acetato; los cuales por cargas de fricción mediante paños y tela logramos evidenciar como se transfieren electrones de un material a otro, con una carga por contacto “un simple toque entre dos objetos hay transferencia de carga” y una carga por inducción “redistribución de carga”, obteniendo diferentes comportamientos respecto a los elementos empleados.

1. Introducción

Figura 1.1: Interacción entre varillas de plástico cuando se frotan con piel. Imagen tomada y adaptada de SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009

Carga Eléctrica En una época tan remota como 600 A.C., los griegos de la antigüedad descubrieron que cuando frotaban ámbar contra lana, el ámbar atraía otros objetos. En la actualidad decimos que con ese frotamiento el ámbar adquiere una carga eléctrica neta o que se carga. La palabra “eléctrico” se deriva del vocablo griego elektron, que significa ámbar. Cuando al caminar una persona frota sus zapatos sobre una alfombra de nailon, se carga eléctricamente; también carga un peine si lo pasa por su cabello seco. Las varillas de plástico y un trozo de piel (verdadera o falsa) son especialmente buenos para demostrar la electrostática, es decir, la interacción entre cargas eléctricas en reposo (o casi en reposo). La figura 21.1a muestra dos varillas de plástico y un trozo de piel. Observamos que después de cargar las dos varillas frotándolas contra un trozo de piel, las varillas se repelen.

Cuando frotamos varillas de vidrio con seda, las varillas de vidrio también se cargan y se repelen entre sí (figura 21.1b). Sin embargo, una varilla de plástico cargada atrae otra varilla de vidrio también cargada; además, la varilla de plástico y la piel se atraen, al igual que el vidrio y la seda (figura 21.1c).

Figura 1.2: Interacción entre varillas de vidrio cuando se frotan con seda. Imagen tomada y adaptada de SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009

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Figura 1.3: Interacción entre objetos con cargas opuestas. Imagen tomada y adaptada de SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009

Estos experimentos y muchos otros parecidos han demostrado que hay exactamente dos tipos de carga eléctrica: la del plástico cuando se frota con piel y la del vidrio al frotarse con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) sugirió llamar a esas dos clases de carga negativa y positiva, respectivamente, y tales nombres aún se utilizan. La varilla de plástico y la seda tienen carga negativa; en tanto que la varilla de vidrio y la piel tienen carga positiva. Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen. En los ejemplos nombrados anteriormente no es posible observa la trasferencia de carga, de esta manera nos preguntamos ¿qué es lo que realmente sucede a la varilla cuando se carga? Para esto debemos analizar acerca de la estructura y propiedades eléctricas del átomo, donde se describe en términos de tres partículas que son: el electrón, con carga negativa; el protón, cuya carga es positiva; y el neutrón, sin carga.

Figura 1.4: Características de las partículas que se conocen con una precisión actual del electrón, protón y neutrón. Imagen tomada y adaptada de SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009.

Además, ciertos materiales permiten que la carga se mueva con mayor facilidad de una región de material a otra, donde uno de ellos recibe nombre de conductor de electricidad, Por ejemplo, en la figura1.4a hay un alambre de cobre donde lo sostiene el nailon y alguien toca el alambre con una varilla de plástico cargada el extremo se une con una esfera metálica que al principio está sin carga; después, quita la varilla cargada y el alambre. Cuando acerca otro cuerpo cargado a la esfera (figuras1.4b y 1.46c), ésta se ve atraída o repelida, lo cual demuestra que se cargó eléctricamente, también encontramos los aislantes que son los que no transfieren energía como la madera y también encontramos la carga por inducción que son aquellos que transfieren carga sin contacto directo por ejemplo cuando va a llover las nueves tienen carga negativa y el suelo carga positiva de esta manera las nubes trasfieren energía por medio de un rayo

Por otra parte, podemos decir que “la carga negativa del electrón tiene la misma magnitud que la carga positiva del protón. Mientras que, en un átomo neutral, el número de electrones es igual al número de protones en el núcleo; en tanto que la carga eléctrica neta es exactamente igual a cero (figura 1.3a). El número de protones o electrones en un átomo neutro de un elemento se denomina número atómico del tal elemento. Si se pierden uno o más electrones, la estructura con carga positiva que queda se llama ion positivo (figura 1.3b). Un átomo negativo es aquel que ha ganado uno o más electrones (figura 21.3c). Tal ganancia o pérdida de electrones recibe el nombre de ionización.”

Figura 1.5: Comportamientos respecto a la carga por inducción de diferentes materiales. Imagen tomada y adaptada de SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009

3 ebonita y la esfera metálica del electroscopio queda cargado positivamente, básicamente lo que ocurre es que al acercar la barra de ebonita al electroscopio los electrones del tallo del electroscopio son repelidos hasta el inferior de la misma.

2. Detalle experimental Para la parte experimental de este laboratorio el objetivo principal corresponde a identificar como se transfieren electrones de un material a otro, con una carga por contacto y conocer la conductividad como capacidad de resistencia de los materiales ante el flujo de carga.

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Si se carga el electroscopio con carga de la barra de ebonita y se refleja en las Cintas la barra queda cargada

Materiales:      

Electroscopio Barras de diferentes materiales (vidrio, ebonita, metal, madera) Alambre de cobre Un trozo de pita Trozos de paño y tela Cinta pegante Acetato

Figura 1.6: Comportamiento de las láminas respecto a un objeto cargado por contacto por medio de la esfera metálica. Foto tomada y adaptada de Laboratorio.

2. Ahora frote la barra con un paño. Observe que ocurre en el electroscopio mientras acerca la barra.

Figura 1.6: Ilustración de un electroscopio. Imagen tomada y adaptada de E. Bautista et al. Guías de laboratorio de Física II. Electromagnetismo. Universidad Nacional De Colombia. Bogotá, 2001

3. RESULTADOS Y DISCUSION

Al frotar la barra de ebonita con el paño esta adquiere carga negativa por exceso de electrones, mientras que el paño adquiere carga positiva por deficiencia de electrones. Al acercar la barra de ebonita al electroscopio, se carga, lo podemos evidenciar ya que las láminas se abren, es decir se repelen, al acercar la barra. Al alejar la barra las láminas quedan con carga neutra, es decir retoman su estado normal ya que no se está ejerciendo ningún tipo de fuerza.

Este laboratorio se realizó a partir de las preguntas propuestas por la guía de laboratorio FENOMENOS ELECTROSTATICOS.

3. Frote nuevamente la barra, toque el tallo del electroscopio con ella y luego retírela ¿que observa?

1 frote la barra de ebonita con el tallo de un electroscopio. Observe qué ocurre en el electroscopio mientras esta frotando la barra. ¿Se carga el electroscopio?, ¿se carga la barra?, ¿cómo es el signo de la carga de la barra respecto al de la carga del electroscopio? Haga un dibujo que muestre la distribución de las cargas.

Cuando las láminas del electroscopio se separan decimos que el electroscopio está cargado, en el caso de que la esfera se haya tocado con la barra el electroscopio se carga por contacto. Suponiendo que la barra de ebonita se carga negativamente ¿qué diagrama muestra la distribución de cargas en el electroscopio?

¿Cómo puede descargar la barra y el electroscopio? Hágalo. Verifique que la barra está descargada. ¿Como lo verificó? 

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La barra al tener contacto con el electroscopio, se observa que las láminas internas se repelen, separándose. , Al tener dos cuerpos cargados y hacer frotación se conservan las cargas, en donde un cuerpo queda con carga negativa y el otro con carga positiva. Para este caso quien queda cargado negativamente es la barra de

Se observa que las láminas se repelen y al alejar la barra las láminas quedan con carga neutra

4 El electroscopio ha sido cargado por contacto con la barra de ebonita, posteriormente se procede a acercar la barra de vidrio, al realizar esta acción podemos observar que las láminas prácticamente no se mueven, pero luego, al acercar al electroscopio la barra de ebonita cargada hay una fuerza de repulsión entre las láminas de oro. 6. Repita el Paso 5 intercambiando la barra de ebonita por una barra de vidrio ¿Podría ahora asegurar que hay efectivamente dos clases de carga eléctrica? ¿Por qué? Al repetir el paso 5 intercambiando la barra de ebonita por la barra de vidrio Figura 1.7: Carga por contacto, la barra de ebonita se encuentra cargada negativamente. Foto tomada y adaptada del Laboratorio.

4. Repita los pasos 2 y 3 reemplazando la barra de ebonita por una de vidrio y haga el diagrama correspondiente considerando que la barra de vidrio adquiere en el frotamiento carga eléctrica positiva. Preferiblemente frote la barra de vidrio con un pedazo de seda ¿Podría usted asegurar que los hechos observados demuestran la existencia de dos tipos de carga diferentes? Justifique su respuesta Al acercar la barra de vidrio al electroscopio las láminas de oro se repelen, pero esta vez en poca medida a diferencia con la barra de ebonita que estas se separaban rápidamente, esto se debe a que la barra de vidrio está cargada positivamente, en este caso se puede decir que hay una transferencia de electrones por tal motivo el electroscopio también está cargado positivamente.

Podemos concluir que, al acercar la barra, las láminas de oro se atraen, pero al retirar la barra del electroscopio las láminas de oro se repelen. Observando este método experimental se puede asegurar que hay dos clases de cargas eléctricas ya que la ebonita al estar cargada negativamente y la barra de vidrio positivamente podemos observar las distintas interacciones entre las transferencias de electrones que pueden haber dependiendo del tipo de material que se use, de igual manera asi quedara cargado el electroscopio. 7. Carga del electroscopio por inducción. Realice los siguientes pasos que constituyen la forma de cargar un electroscopio por inducción: a) Acerque al electroscopio una barra de ebonita cargada (no toque el electroscopio) b) Sin retirar la barra de ebonita haga un contacto a tierra en el electroscopio c) Retire el contacto a tierra d) Retire finalmente la barra ¿Quedo cargado el electroscopio? ¿Por qué? ¿Qué carga tiene? Compruébelo experimentalmente. Por medio del diagrama de distribución de cargas compruebe (en forma teórica) su respuesta.

Figura 1.8: Barra de vidrio cargada positivamente acercándose al electroscopio. Foto tomada y adaptada del Laboratorio.

Si existen cargas diferentes debido a los distintos materiales, es decir, con respecto a la ebonita este adquiere carga negativa ya que tiene exceso de electrones y el vidrio adquiere carga positiva ya que tiene pocos electrones, en síntesis, algunos materiales son más electros afines que otros. 5. Cargue el electroscopio por contacto con una barra de ebonita y retire la barra. Ahora acerque, sin tocarlo, una barra de vidrio cargada ¿Que observa? Retire la barra de vidrio y acerque una barra de ebonita (cargada) ¿Que observa?

Si, quedo cargada ya que al ser cargado por inducción este vuelve y retoma la energía y se repelen las láminas, es decir, se experimenta una fuerza de repulsión lo que hace que las láminas de oro se separen, a su vez cuando se realiza el contacto a tierra las láminas quedan con carga neutra ya que los electrones del electroscopio se dirigen hacia la tierra y al retirar la barra de ebonita los electrones se dirigen hacia el electroscopio tomando su forma natural, es decir el electroscopio queda con igual número de electrones y protones.

5 Figura 1.9: Carga por inducción del electroscopio con polo a tierra. Foto tomada y adaptada del Laboratorio.

11. Repita el paso 10 cambiando el alambre por un hilo o pita

8. Repita el paso 7 cambiando la barra de ebonita por una de vidrio

Se realizó el procedimiento uniendo los dos electroscopios a un pedazo de pita, pero, la pita no es un elemento conductor lo cual no genero ningún tipo de carga en los electroscopios.

Con la barra de vidrio, al hacer contacto a tierra, el electroscopio queda cargado positivamente ya que los electrones se dirigen hacia la tierra, al retirar la barra del electroscopio se sigue manteniendo la carga anterior (positiva)

Figura 1.12: Electroscopios unidos mediante hilo y su comportamiento respecto a este por un objeto cargado. Foto tomada y adaptada del Laboratorio

12. Por último tome un trozo de cinta y péguelo sobre el acetato. Despegue la cinta con rapidez y acérquelo a un electroscopio previamente cargado, ¿Que observa? ¿qué puede concluir? Figura 1.10: Carga en una barra de vidrio por inducción y su comportamiento respecto al electroscopio con polo a tierra. Foto tomada y adaptada del Laboratorio.

Al existir el contacto de la cinta con el acetato y mediante la fricción producida por el despegue de la cinta se genera un cargue negativo para el acetato el cual por inducción de contacto carga el electroscopio.

9. Repita el paso 7, pero ahora retire primero la barra y luego el contacto a tierra ¿Que observa? Explique lo que ocurre Si se retira primero la barra y luego el polo a tierra, no queda cargado el electroscopio 10. Una dos electroscopios por medio de un alambre de cobre y luego acerque una barra de ebonita cargada a uno de ellos. ¿Qué observa en los electroscopios? Acerque ahora la barra a la mitad del alambre entre los dos electroscopios ¿qué observa? ¿qué puede decir acerca del comportamiento del alambre de cobre? Al unir los dos electroscopios con el alambre de cobre y acercar la barra de ebonita a uno de los electroscopios se pudo observar que las láminas en ambos electroscopios se abrieron, igualmente cuando la barra de ebonita se ubicó en el centro del alambre de cobre, es decir, se distribuyen las cargas.

Figura 1.13: Carga mediante la separación de cinta pegante con acetato. Foto tomada y adaptada del Laboratorio

13. Consulte en que consiste el efecto triboeléctrico El efecto triboeléctrico es un fenómeno en el cual la mayoría de los materiales tienen la tendencia de entregar electrones y quedar cargados positivamente (+) o atraerlos y quedar cargados negativamente (-) cuando son golpeados o frotados con otro material.

Figura 1.11: Electroscopios unidos mediante alambre de cobre y su comportamiento respecto a este por un objeto cargado. Foto tomada y adaptada del Laboratorio

Aunque dependiendo de la combinación de materiales, un mismo material puede quedar cargado positiva o negativamente. La polaridad y magnitud de dicha carga difieren según el material.

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4. CONCLUSIONES Para este laboratorio podemos concluir la importancia de las propiedades de los materiales puesto que unos presentaran una conductividad con capacidad de resistencia ante el flujo de carga, determinando que unos tengan mejores propiedades de conductividad. Así mismo se evidencia el comportamiento de las cargas positivas y negativas en el proceso de transferencia de cargas con el electroscopio permitiendo evidenciar el efecto que tiene la una sobre la otra y la capacidad de los materiales para distribuirlas.

REFERENCIAS [1] SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Física Universitaria", Vol. II, Pearson, 2009

[2] E, BAUSTISTA et ál, Guías de laboratorio de Física II. Electromagnetismo, Universidad Nacional De Colombia. Bogotá, 2001.

[3] FAMAF, Electrostática, recuperado de http://www.famaf.unc.edu.ar/~anoardo/electrostatica.pdf