LABORATORIO 1ELECTROESTÁTICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIASEDE BOGOTÁ

FACULTAD DE INGENIERÍA

Preparado para:Fundamentos de Electricidad y Magnetismo

Preparado por:Juliana Abril Agudelo 02201320

Julián Eduardo Cubillos Basto 02201355 Jesús Martínez Acuña 25461070

Camilo Paez Avella 234706

Bogotá, CundinamarcaMarzo De 2014

1. RESUMEN

En esta práctica de laboratorio se quiere probar la existencia de dos tipos de cargas (una positiva y otra negativa), mediante el uso de él electroscopio, el cual permite visualizar las reacciones que existen entre las cargas y comprender el principio de la Ley de Coulomb que establece que las cargas de mismo signo se repelen y cargas de signo opuesto se Atraen. Para esto se utilizan algunos instrumentos de laboratorio y materiales como: Un electroscopio, un electrógrafo, un tubo PVC, una barra de madera, dos paños de tela de diferente rugosidad y placas de acetato. El uso adecuado de estos elementos nos posibilita observar los fenómenos producidos por las cargas en los objetos y en el electroscopio, también diferenciar entre materiales conductores, semiconductores y aislantes. Todo esto a través de la carga por inducción, contacto o por frotamiento.

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo General Comprender los conceptos básicos de la electrostática.

2.2 Objetivos Específicos

Comprobar de la existencia de dos tipos de carga. Observar la presencia de la fuerza entre cargas Identificar el tipo de carga que tiene un objeto. Entender y diferenciar los procesos de carga por inducción y conducción Identificar si un material es conductor o es aislante

3. MARCO TEÓRICO

Electrostática.

Búsqueda del conocimiento que nos permitirá comprender algunos fenómenos eléctricos. La electrostática es el punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control por parte del hombre y, por cierto, es la base de numerosas aplicaciones científicas y tecnológicas.

También podríamos decir que es el área de la física que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo de permitir el paso de la corriente eléctrica a través de sí. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales.

La conductividad es la inversa de la resistividad, por tantoσ=1ρ

, y su unidad es el S/m

(siemens por metro).

No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia:

G= 1R

Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico Ey la densidad de corriente de conducción J :

J=σ E

Inducción electrostática.

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. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos.

Electroscopio:

Está compuesto por una pequeña esferilla metálica, una varilla metálica y dos laminillas metálicas. Se une en un extremo de la varilla la esferilla metálica y en el otro extremo las dos laminillas de forma que cuelguen verticalmente. El sistema se instala en un bulbo de vidrio con aire seco en su interior.

Su forma es la que se muestra:

Para saber si un cuerpo está cargado o no, el procedimiento es el siguiente:

- Nos aseguramos que el electroscopio esté neutro eléctricamente, para ello hacemos que la esferilla metálica tenga contacto con tierra. Las laminillas deberán quedar verticales y paralelas.

- Acercamos el cuerpo del que deseamos saber si tiene carga eléctrica a la esferilla.

- Si el cuerpo está cargado eléctricamente (supongamos que está negativo) las laminillas metálicas se separarán. La razón es que al acercar el cuerpo cargado se produce una polarización en la carga del electroscopio yéndose carga de un tipo (positiva en nuestro caso) a la esferilla y la del otro tipo (negativa en nuestro caso) a las laminillas y como ambas quedarán con el mismo tipo de carga, entonces se separarán.

- Si el cuerpo no está cargado eléctricamente, las laminillas del electroscopio no se moverán de su posición.

Electróforo de volta.

Se debe el descubrimiento del electróforo, a Alejandro Volta (1745-1827), funciona aprovechando los de influencia o inducción, se compone de dos partes: Una torta de resina electrizable por frotamiento y un disco metálico con mango aislante.

El objetivo del electróforo es conseguir electrizar el disco metálico.

Para conseguirlo primero electrizamos la torta de resina, por frotamiento, después agarrado por el mango, 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 eléctrica 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 el Electróforo se pueden producir efectos eléctricos y descargas acompañadas de sonido.

Conductores y Aislantes.

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta.

Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aislantes y los segundos conductores. Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales.

En las sustancias aislantes, sin embargo, los núcleos atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad mejorando prodigiosamente su conductividad, ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.

A temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Se trata de los superconductores. Una vez que se establece una corriente eléctrica en un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido.

4. RESULTADOS

4.1. Procedimiento

Al llegar al laboratorio, sobre las mesas se encontraban dos (2) electroscopios, uno al vacío y el otro sin ningún aislante, también habían dos tipos de tela diferente, un tubo de plástico, uno de madera, dos acetatos, una lámina de acrílico y una de vidrio y un electróforo.

Primero se frotó una de las telas con el tubo de plástico (como se puede apreciar en las figuras 1) para después acercarlo al electroscopio y ver la reacción; se observó que en los dos electroscopios hubo una gran separación entre las láminas; lo mismo ocurrió al frotar las segunda tela y el acetato con el tubo de plástico y también al frotar el electróforo con los materiales ya mencionados, pero las reacciones que se observaron al repetir los mismos procedimientos con el vidrio y con la madera fueron nulos, no se percibió alteración alguna en las láminas del electroscopio.

El siguiente paso fue el de unir por medio de una barra de metal y observar el efecto que producía sobre las láminas de los dos electroscopios.

4.2 Montaje Experimental

figura 1

Electroscopio casero (2) Electroscopio de dotación (1)

Paño 1 Paño 2

4.3 Tabla De Datos

Tabla 1.1

10materiales carga por

induccióncarga por contacto

tubo PVC - paño (1) 8 9tubo PVC - paño (2) 7 8tubo PVC - acetato 6 7madera - paño (1) 0 0madera - paño (2) 0 0Madera - acetato 0 0vidrio - paño (1) 0 0vidrio - paño (2) 0 0vidrio - acetato 0 0Acetato - paño (1) 0 0Acetato -paño (2) 0 0acetato - vidrio 0 0Electróforo - paño (1) 1 2Electróforo - paño (2) 1 3Electróforo - resina 2 7Electróforo - acetato 3 7

Se definió una escala para medir el grado de reacción observable en las láminas del electroscopio, siendo 0 el valor mínimo que corresponde a la no percepción del movimiento y 10 el valor correspondiente al máximo movimiento de estas.

Tabla 1.2

Electroscopios conectados

Carga por Contacto

A Electroscopio (1) A Electroscopio (2)materiales Electroscopio

(1)Electroscopio

(2)Electroscopio

(2)Electroscopio

(1)tubo PVC - paño (1)

7 7 7 7

tubo PVC - paño (2)

5 2 6 5

tubo PVC - acetato 1 0 1 0madera - paño (1) 0 0 0 0madera - paño (2) 0 0 0 0Madera - acetato 0 0 0 0vidrio - paño (1) 0 0 0 0vidrio - paño (2) 0 0 0 0vidrio - acetato 0 0 0 0Acetato - paño (1) 0 0 0 0Acetato -paño (2) 0 0 0 0acetato - vidrio 0 0 0 0Electróforo - paño (1)

0 0 0 0

Electróforo - paño (2)

0 0 0 0

Electróforo - resina 0 0 0 0

0

Electróforo - acetato

0 0 0 0

Resultados obtenido al conectar los dos electroscopios mediante un cable conductor.

5. ANALISIS DE RESULTADOS

Haciendo una consulta en algunos textos de física, nos dimos cuenta que los materiales usados en esta práctica (es decir, el tubo de PVC, la madera, el acetato, el vidrio y los diferentes paños) son materiales dieléctricos, esto quiere decir que son materiales malos para conducir la electricidad ya que las cargas no se pueden mover libremente a través del material, por tanto se pueden usar como aislantes.

En general cuando 2 materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales adquiere carga positiva y la otra carga negativa, sin embargo si esto ocurre en un sistema aislado, la carga total del sistema sigue siendo neutra.

La cantidad de carga que adquieran los materiales depende de los siguientes factores:

- La naturaleza de los materiales.

- La separación que haya entre los materiales en la serie triboeléctrica.

- El estado de las superficies de los materiales, el área de las superficies que entra en contacto, la humedad y las impurezas que tengan las superficies del material.

Entre más a la izquierda este un material en la serie triboeléctrica, el material tiende a perder más electrones cuando entra en contacto con otro, es decir es masa positivo. Por el contrario entre más a la derecha en la serie triboeléctrica, el material tiende a capturar más elementos cuando entra en contacto con otros materiales, por lo tanto es más negativo.

Aquí algunos elementos de la serie triboeléctrica en orden:

(+) Piel de conejo- vidrio- pelo humano- nylon- lana- seda- papel- algodón- madera- ámbar- polyester- poliuretano- PVC- teflón (-)

Al frotarse 2 elementos, el que está más a la izquierda en la serie triboeléctrica quedara cargado positivamente y el que está a la derecha tomara la carga negativa.

Con esta información, se puede responder a la afirmación “El vidrio siempre toma carga positiva y el caucho siempre toma carga negativa” como una afirmación falsa ya que depende de los 2 objetos que se estén frotando, ya que por ejemplo si se frota vidrio con piel de conejo, el vidrio por estar más a la derecha quedara cargado negativamente, mientras que si se frota vidrio con lana, el vidrio quedara cargado positivamente porque se encuentra más a la izquierda que la lana.

De acuerdo a los resultados, el material que tuvo una mayor carga fue el PVC, esto se debe a que es el que se encuentra más lejos en la serie triboeléctrica de los elementos con los que fue frotado para cargarse (Paño 1, Paño 2 y acetato).

Tanto con la madera, como el vidrio y el acetato, no vimos ningún movimiento de las láminas del electroscopio que fuera percibido por el ojo humano, pero esto no quiere decir que estos elementos no hayan sido cargados, sino que la carga con la cual quedaban era tan pequeña que no alcanzaba para mover con amplitud las láminas del electroscopio. Esto ocurrió porque la distancia en la serie triboeléctrica que hay entre estos objetos, con los objetos que eran frotados es muy corta, además había humedad en el ambiente, lo que hacía que los objetos quedaran con una carga muy pequeña.

Para cargar un objeto por inducción como el electroscopio, tuvimos que acercarle otro objeto (cargado anteriormente, en este caso por fricción), así pudimos observar que se establece una interacción entre las cargas del cuerpo cargado y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la distribución de cargas se ve afectada: las cargas con signo opuesto a la carga del objeto cargado se acercan a éste (igual que frotar un lápiz y acercarlo a pedazos de papel) y el cuerpo que estaba en estado neutro se polariza, debido a esto las láminas metálicas del electroscopio se separaban una de la otra.

Al frotar objetos del mismo material observamos que no se cargar, esto es pasa puesto que las fuerzas que retengan los electrones exteriores en un objeto va ser la misma que en el otro por ser del mismo material impidiendo que haya más atracción hacia un objeto, en caso contrario ocurre si frotamos dos objetos de materiales  puesto que la fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de un material a otro.

En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro, permitiendo un gran flujo de electrones de un material a otro, cuando cargamos un elemento por fricción este queda con exceso o deficiencia de electrones dependiendo de cuál material tenga más fuerza para retenerlos.

Se observó en todos los casos que cuando se hacía carga por contacto con el electroscopio, la magnitud de dicha carga era mayor que cuando se hacia la carga por inducción también con el electroscopio.

Por último, también se tuvo el resultado que cuando se conectaron los 2 electroscopios, la magnitud del resultado de la carga por contacto, era menor que cuando se hacia la carga por contacto con un solo electroscopio.

Al frotar dos objetos eléctricamente neutros, es decir que su carga de protones en número es igual a la carga de electrones, hay un intercambio de estos, lo que significa que uno de los objetos se carga positivamente mientras que el otro se carga negativamente. Un factor determinante para saber que carga obtiene cada uno de los objetos después del frotamiento es la composición de estos, un ejemplo claro es el vidrio, que al ser frotado con un paño traspasa sus electrones al paño, por lo cual este queda cargado positivamente.De otro modo al estudiar el electroscopio y el ángulo formado por las láminas de este se puede determinar que carga tiene el objeto que se acercó.

El electroscopio puede verse también como un hilo de longitud (l ) del cual cuelgan dos esferas, con cargas iguales (q ) y de masa m, separadas por un ángulo θ sobre las cuales actúan las siguientes fuerzas en el punto de equilibrio:

T . sinθ=f y T .cosθ=m .g

Siendo T la tensión ejercida por el hilo y f la fuerza ya sea de repulsión o atracción que ejercen las cargas.Al dividir la primera ecuación con la segunda se halla el valor de la fuerza que actúa sobre las esferas, quedando de esta manera

f=m .g . tanθAhora según la ley de Coulomb se tiene que como las cargas de las esferas son iguales

F= q2

4 π∈0¿¿Siendo 2Lsinθ la distancia que hay entre las dos esferas.Por lo que ya sabiendo f, se puede determinar el valor de las cargas por medio de la ecuación

q=√F 4π∈0 ¿¿

6. CONCLUSIONES

Comprendimos que un objeto que no haya sido cargado por contacto, inducción o cualquier otra forma de hacerlo, permanecerá en estado neutro.

Comprobamos la existencia de dos tipos de cargas una positiva y una negativa, al observar el efecto de una carga sobre otra carga de signo opuesto; sin son iguales se repelaran y si son diferentes se atraerán. Al acercar un objeto cargado y cargar el electroscopio, las láminas de este tenderán a separarse y si luego acercamos un objeto de carga opuesta al anterior, el ángulo de las láminas disminuirá.

Entendimos que al cargar un objeto por inducción, este quedara con carga del signo opuesto del objeto con el cual se cargó. Y al cargar un objeto por contacto, este adquirirá el mismo signo del objeto con el cual se cargó.

Identificamos la carga resultante de un objeto, dependiendo de su composición o de su conductividad o de su no conductividad.

Observamos que al realizar un contacto a tierra, esta es capaz de disipar la carga del objeto con el cual hicimos contacto, por lo tanto sabemos que la tierra funciona como un gran conductor eléctrico.

Comprendimos que la conductividad eléctrica de los materiales es una propiedad de los mismos, en aquellos materiales en los cuales los electrones se pueden mover fácilmente y a gran velocidad decimos que son conductores, en los que se mueven con menor facilidad semiconductores y en los que se presenta una resistencia al movimiento de electrones son materiales aislantes o dieléctricos

BIBLIOGRAFÍA

Halliday, Resnick y Walker. Volumen 2. Cuarta edición. Página 954

http://www.etitudela.com/Electrotecnia/downloads/capitulo1.pdf

http://fisica2brisa.files.wordpress.com/2007/12/electrostatica1.pdf

Serway. Vol 2. Quinta edición Capítulo 23

http://www.slideshare.net/jorgecamargo/electrosttica-presentacion

http://www.amschool.edu.sv/paes/science/electrost%C3%A1tica.htm

http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-C/practica2/repuls/repuls-7/repuls-7.htm