Laboratorio Física - Cargas Eléctricas

Laboratorio de Física No. 1: En la Práctica con Cargas Eléctricas. Mateo Jara Zarate ID: 000115626 Diana López Fonseca ID: Stephannie Acosta ID: 000085813 Ronald Moreno ID: Ingeniería de Sistemas, Universidad Minuto de Dios

05 Septiembre de 2014 Resumen Esta experiencia dentro del laboratorio tuvo como objetivo principal identificar y analizar fenómenos físicos que acontecen en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo por medio de la fricción; realizamos diferentes experimentos por medio de los cuales exponíamos cuerpos cargados entre otros cuerpos, para ver como interactuaban entre sí, y a partir de las observaciones, obtener diferentes conclusiones, por ejemplo, cuando dos o más objetos cargados interactúan entre ellos existe una redistribución de sus electrones y/o protones, dependiendo de la condición natural de su carga eléctrica.

1.

denominado electromagnetismo.

Introducción

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.

Los antiguos filósofos griegos - como Leucipo y Demócrito ya concibieron a los cuerpos formados por pequeñas partes indivisibles llamadas átomos; esta creencia predominó durante muchos siglos. La teoría actual sobre la estructura de la materia ha demostrado que el átomo es divisible y que está constituido por partículas pequeñísimas que se denominan protones (partículas cargadas positivamente), electrones (partículas con carga negativa) y neutrones (partículas sin carga eléctrica). Estas son las tres partículas fundamentales en la constitución de todo átomo, existiendo otras partículas que no es del caso mencionar en este momento.

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo; la carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales. Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante cargada. Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero.

La electrostática es la rama de 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. Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico

Los fenómenos eléctricos se explican por el movimiento de los electrones libres entre los átomos; los electrones libres expulsados por un átomo son atraídos por otros átomos que 1

han perdido electrones; debemos hacer notar que la pérdida de electrones libres por los átomos no produce en ellos ningún cambio en su estructura íntima, salvo el de adquirir una carga eléctrica positiva y tratará, por lo tanto, de recuperar los electrones perdidos, captando o atrayendo los electrones libres de otros átomos.

3. Resultados y Discusión - Se Frota la barra de ebonita con el tallo de un electroscopio. Observación, qué ocurre en el electroscopio mientras está 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.

Imagen1 – Muestra de cargas (Atracción y repulsión)

2.

Detalle Experimental Figura 1 – detalle barra ebonita contra Electroscopio

La práctica experimental de laboratorio consiste en cargar el electroscopio y barras de diferentes materiales mediante fricción e inducción, la cual es una manera de deducir la existencia de dos tipos de cargas mediante la observación del comportamiento de las laminillas del electroscopio.

RTA/: El electroscopio y la barra quedan cargados respectivamente, pues al realizar fricción con la barra hacia el tallo del electroscopio, se produce un intercambio de cargas dejando a alguno de los dos elementos con mayor cantidad de caga de alguna naturaleza (negativa o positiva – por transferencia de electrones o protones) y al otro con una menor cantidad.

Materiales a usar en la Experimentación:  Electroscopio  Barras de diferentes materiales (vidrio, ebonita, metal, madera)  Alambre de cobre  Un trozo de pita  Trozos de paño y tela  Cinta pegante  Acetato

Las cargas de cada uno de los elementos son opuestas, como se explicó anteriormente, la fricción hizo que los electrones de cada uno de ellos se distribuyeran respectivamente dejando alguno con menor o mayor cantidad de cargas. Se le asignó a la barra carga negativa, y al electroscopio carga positiva. Por eso las laminillas al retirar la barra, se abren, haciendo que la distribución de carga sea del mismo signo a lo largo del tallo del electroscopio.

- ¿Cómo puede descargar la barra y el electroscopio? Hágalo. Verifique que la barra está descargada. ¿Cómo lo verifico? RTA/: Al ser cuerpos en reposo, nosotros, somos conductores por naturaleza, y al estar en contacto con el suelo, en esta ocasión seremos el polo a tierra que descargará a los dos elementos que utilizamos para esta prueba experimental. Mientras permanecemos de pie y con una mano tocamos la esfera del tallo del electroscopio, vemos que la carga del mismo, al estar las laminillas abiertas se cierran inmediatamente al contacto con nuestra mano, descargando la sobrecarga hacia la tierra. Se comprueba acercando la barra descargada al electroscopio, no se ve efecto alguno en las laminillas. Imagen2 – Instrumentos de práctica para Laboratorio 1

2

- Ahora frote la barra con un paño. Observe qué ocurre en el electroscopio mientras acerca la barra.

de seda

- Cargue el electroscopio por contacto con una barra de ebonita y retire la barra. Ahora acerque, sin tocarlo, una barra de vidrio cargada ¿Qu´e observa? Retire la barra de vidrio y acerque una barra de ebonita (cargada) ¿Qu´e observa?

Figura 2 – Cargando barra de ebonita con un paño.

RTA/: RTA/: Al frotar la barra con el paño esta se carga de tal manera, que si se acerca esta al electroscopio, las laminillas se abren.

- Repita el paso 5 intercambiando la barra de ebonita por una barra de vidrio. ¿Podr´ıa ahora asegurar que hay efectivamente dos clases de carga el´ectrica? ¿Por qu´e?

- Frote nuevamente la barra, toque el tallo del electroscopio con ella y luego retírela ¿Qué observa?

RTA/:

RTA/: Se observó que al cargar la barra con el paño y al acercar la misma al tallo del electroscopio las laminillas tienden a abrirse. Al hacer contacto, existe una distribución de cargas dejando al electroscopio cargado del mismo signo. Cuando retiramos la barra las laminillas vuelven a su estado inicial (neutro).

- 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).

- Cuando las laminas 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?

RTA/:

RTA/:

c) Retire el contacto a tierra.

b) Sin retirar la barra de ebonita haga un contacto a tierra en el electroscopio. RTA/:

RTA/:

- 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.

d ) Retire finalmente la barra. RTA/:

¿Qued´o cargado el electroscopio? ¿Por qu´e? ¿Qu´e carga tiene? Compru´ebelo experimentalmente. Por medio del diagrama de distribución de cargas compruebe (en forma te´orica) su respuesta.

RTA/:

RTA/:

- Repita el paso 7 cambiando la barra de ebonita por una de vidrio. RTA/:

- Repita el paso 7, pero ahora retire primero la barra y luego el contacto a tierra ¿Qu´e observa? Explique lo que ocurre. RTA/:

3 Figura 3 – Diagrama de configuración barra vidrio y paño

- Una dos electroscopios por medio de un alambre de cobre y luego acerque una barra de ebonita

cargada a uno de ellos. ¿Qu´e observa en los electroscopios? Acerque ahora la barra a la mitad del alambre entre los dos electroscopios ¿qu´e observa? ¿qué puede decir acerca del comportamiento del alambre de cobre?

El efecto triboeléctrico es estudiado por primera vez por el griego Tales de Mileto (624 AC – 546 AC), a quien se lo considera como el primer filósofo de la historia de la filosofía occidental. Tales observó que al frotar un trozo de ámbar (resina vegetal fósil) con piel o con lana se obtenían pequeñas cantidades de cargas eléctricas que atraían pequeños objetos. Más tarde, gracias a trabajos realizados por el físico y médico inglés William Gilbert (1544 - 1603) surge el término electricidad para referirse a este fenómeno, que proviene de la palabra griega élektron que significa precisamente ámbar.

RTA/: Al acercar la barra de ebonita a uno de los electroscopios mientras se mantienen unidos mediante el alambre de cobre, se visualiza una transferencia de cargas, las laminillas de los dos electroscopios tienden a abrirse, dado que el cobre es un buen conductor.

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

RTA/: Al acercar la barra de ebonita a uno de los 4. Conclusiones electroscopios mientras se mantienen unidos mediante una línea de pita, no es notable la transferencia de cargas en los dos electroscopios porque la pita no es Con esta práctica de Laboratorio podemos concluir que: La atracción o repulsión entre los cuerpos se debe a la buen conductor.

ganancia o pérdida de electrones, los cuales presentan gran movilidad y tienden a "salir" del(os) cuerpo(s) en cuestión. Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.

- Por u ´ltimo, tome un trozo de cinta y p´eguelo sobre el acetato. Despegue la cinta con rapidez y ac´erquelo a un electroscopio previamente cargado, ¿qu´e observa? Ahora tome el acetato y ac´erquelo al electroscopio ¿qu´e observa? ¿Qu´e puede concluir? RTA/: Al realizar este experimento, las laminillas del electroscopio se abren. Con los dos elementos, con la cinta y con el acetato. La única diferencia, es que con el acetato las laminillas tienden a abrirse mucho más, ya que el acetato se carga con facilidad.

Referencias [1] Feynman R, Leighton R. y Sands M., Fisica, vol. II: Electromagnetismo y Materia, ed. Pearson Educación.

- Consulte ¿en qu´e consiste el efecto triboeléctrico?

[2] S. Velayos, Temas de Física III, Electrostática y Corriente Eléctrica, ed. Copigraf, s.l.

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 [5]. 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.

[3] Sears, Zemansky, Young, Freedman. “Física Universitaria”, Ed. 11 Volumen 2. [4] E. Bautista et al. Guías de laboratorio de Física II. Electromagnetismo. Universidad Nacional De Colombia. Bogotá, 2001. [5] The Encyclopedia of Physics, Third Ed., Robert M. Besancon, editor, Van Nostrand Reinhold Co., New York, (1985). [6] Recuperado de: Copyright © 2001 CENTRO DE Capacitación INTERNET. Reservados todos los Derechos. Medellín Colombia. Ley De Coulomb Y El Campo Eléctrico, 3.1 Cargas Eléctricas. Sitio Web de la Universidad de Antioquia. Ingeniería de Sistemas. http://docencia.udea.edu.co/regionalizacion/irs404/contenido/capitulo3.html, 4