UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FISICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 8108884 GRUPO 3-0

LABORATORIO N° 1: ELECTROSTATICA

LINA MARIA ALBARRACIN LEON

201310222

DIEGO FERNANDO RIVERA CASTRO

201311955

DIANA PAOLA SANABRIA CHAPARRO

201422362

LILIANA CONSTANZA SANCHEZ TRIANA

201023411

FISICO PAOLA FONSECA

SOGAMOSO

MARZO DE 2016

1. RESUMEN

En el presente informe de laboratorio se analiza las formas de cargar un cuerpo

eléctricamente, describiendo la experiencia del laboratorio y explicando el

fenómeno físico que da luagar, además se explica el funcionamiento de aparatos

electrostáticos como el generador de Van der Graff y el electroscopio.

2. INTRODUCCION

Todos los días nos enfrentamos a fenómenos electrostáticos, que son parte de la

naturaleza misma, los aparatos eléctricos y electrónicos de los cuales hoy

disfrutamos, remontan sus orígenes en el estudio de los fenómenos

electrostáticos, la curiosidad de hombres como William Gilbret, Michael Faraday,

Pierter Von Musschenbroek, Nikola Tesla por citar algunos basaron sus estudios

en el estudio del átomo y como allí se generan los fenómenos eléctricos y como a

través de su estudio este flujo de electrones puede ser controlado , el estudio de la

naturaleza de las cargas (Positivas y negativas) y la manera de cargar

eléctricamente los cuerpos, permitió el avance de la ciencia eléctrica y electrónica.

3. OBJETIVOS

GENERAL:

Entender la naturaleza de los fenómenos electrostáticos.

ESPECIFICOS:

Elaborar una descripción teórica de conceptos electrostáticos y de los

aparatos no comunes usados en el laboratorio.

Analizar y diferenciar las formas de generar cargas eléctricas por

conducción e inducción.

Conocer la razón de la repulsión y atracción de las cargas.

Distinguir entre los materiales conductores y aislantes.

4. MARCO TEORICO.

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento.

Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El

núcleo está compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar

de neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). Los protones y los neutrones son

llamados nucleones. Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los

protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga

eléctrica negativa y los neutrones tienen ambas cargas eléctricas, haciéndolos

neutros. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es

eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones,

entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se

denomina ion.

INDUCCIÒN: La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae

los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el

segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza

atractiva entre los objetos.

.

CONDUCCIÓN: Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que

comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado.

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.

FRICCIÒN: 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.

LEY DE COULOMB: Las interacciones atracción, repulsión entre cargas eléctricas son directamente proporcionales al producto de estas, e inversamente proporcionales al cuadrado de la dirección de la fuerza. Coulomb demostró que la cantidad de carga podía relacionarse con fuerza. De esta manera, le fue posible definir una cantidad estándar de carga en términos de la cantidad se fuerza que produce.

5. EQUIPO Y MATERIALES.

EL ELECTROSCOPIO: es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo

está cargado eléctricamente. El electroscopio consiste en una varilla metálica

vertical de vidrio que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo

opuesto dos láminas de aluminio muy delgado. La varilla está sostenida en la

parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en

contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se

electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen,

separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que

han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las

hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización,

vuelven a su posición normal.

Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse

el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas

se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que

el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen

signos opuestos.

GENERADOR DE VAN DER GRAFF: es una máquina electrostática que utiliza una

cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de

una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un

generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los cinco mega

voltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos

X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

MATERIALES

Barra de vidrio Barra de ebonita Lamina de madera y metal Troza de paño, lana, seda. Troza de papel Base soporte Bolas de icopor Hilo Aguja Papel aluminio Vela, fosforera.

6. PROCEDIMIENTO

Alistamiento de materiales (el electroscopio de laboratorio presentaba fallas,

en su lugar se usó el electroscopio experimental fabricado).

Se instaló el electroscopio experimental con las bolas de icopor (forradas de

papel aluminio) colgadas con hilo.

a) Producción de carga por frotamiento:

Se carga la barra de ebonita (en este caso es de plástico) y la de vidrio

por medio de frotamiento con la seda, cuando la barra está cargada

eléctricamente, se carga el electroscopio por medio de inducción y por

conducción.

Este procedimiento se repite con el paño y lana.

Se observa lo que ocurre.

b) Generador de Van der Graff y las barras:

Con el generador de Van der Graff cargado se repite el proceso a).

frotando la barra de ebonita y la barra de vidrio con los tres materiales

(seda, paño, lana).

Acercar la barra de ebonita y la barra de vidrio al generador de Van der

Graff.

Se observa que sucede.

c) Conductores:

Coloca el electroscopio (electroscopio experimental) cerca del generador

de Van der Graff, sin barrera y se observa lo que pasa.

Enseguida se coloca la primera barrera, una lámina de vidrio de tal modo

que aun lado de la lámina quede el generador y del otro se le acerca el

electroscopio, se observa lo que sucede.

Se coloca una segunda barrera una lámina de madera, de la misma forma

que la primera barrera, se acerca el electroscopio y se observa.

Estos últimos procesos se repiten con la lámina de cobre, lamina de

aluminio y una lámina de icopor.

d) Generador de Van der Graff:

Con el generador cargado se acerca una vela encendida y luego una

aguja colgada de un hilo y se observa lo que pasa.

Se colocan trozos de papel con el generador de Van der Graff apagado y

luego se prende, observa lo que sucede, luego cuando el generador está

cargado acerca más trozos de papel y observa lo que sucede.

Acerque la mano al generador (sin tocarlo) observe y sienta lo que

sucede.

Por ultimo acerca una esfera aislada, cuando el generador este cargado,

observe lo que pasa.

7. TABLA U HOJAS DE DATOS

Para el caso de este laboratorio no hubo toma de dato experimentales, sino la

observación de los fenómenos físicos que los cuales tuvieron lugar en el

laboratorio.

8. PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES

Hacemos esto a través del cuestionario propuesto.

1. ¿En cualquier parte de la naturaleza podemos encontrar cargas positivas y cargas negativas? ¿Por qué razón solo hay cargas positivas y negativas? Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos de electrones, protones y neutrones. En muchos casos la cantidad de protones y electrones no es la misma (el cuerpo no está equilibrado eléctricamente). En el caso de que un cuerpo tenga más electrones que protones se dice que está cargado negativamente y si tiene más protones que electrones se dice que está cargado positivamente.

2. Defina un cuerpo eléctricamente neutro.

Se puede decir que un cuerpo es eléctricamente neutro cuando hay un equilibrio de carga positiva y negativa. De esta manera no se aleja ni se acerca de una carga positiva.

3. ¿Cuándo un cuerpo se dice que está electrizado? Un cuerpo electrizado es un cuerpo que ha ganado o perdido electrones. Electrizado se refiere a la carga eléctrica, es decir que no importa si la carga es positiva o negativa. La electrización en un cuerpo se puede dar por conducción, fricción e inducción.

4. ¿Las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen? ¿Qué ley es?

Explique.

El físico Francés Charles A. Coulomb (1736-1806) en 1785, por medio de una

balanza de torsión inventada por él, logró establecer que entre dos cuerpos

cargados eléctricamente se ejercía una fuerza que seguía una ley parecida a la

de Newton referente a la ley de gravitación universal, aunque con dos

importantes diferencias:

• La fuerza eléctrica (o de Coulomb) puede ser repulsiva.

• La fuerza eléctrica entre dos cuerpos disminuye si se interpone un tercer

cuerpo (lo que no sucede a la fuerza de Newton).

El enunciado de la Ley de Coulomb es el siguiente:

La fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos cargados eléctricamente, es

directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas o cargas, e

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Tal fuerza

se aplica en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de

la línea que las une.

5. ¿Las cargas ejercen entre sí unas fuerzas eléctricas que son mayores a las

producidas por la gravedad? Demuestre.

Comparación entre la Ley de Coulomb y la Ley de la Gravitación Universal

LEY DE COULOMB LEY DE GRAVITACION UNIVERSAL

La fuerza eléctrica entre dos cuerpos MACROSCÓPICOS es

muy pequeña o cero. Sus efectos son más evidentes sobre los pequeños cuerpos: átomos

La fuerza gravitacional entre dos cuerpos MACROSCÓPICOS es muy grande. Sus efectos son más evidentes sobre los grandes cuerpos: planetas, estrellas y galaxias.

La ley de Coulomb establece que la fuerza de atracción entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

La ley de la gravitación universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa

𝐹𝐸 = 𝐾𝑞1 𝑞2

𝑟2 Ley de Coulomb 𝐹𝐺 = 𝐺𝑚1 𝑚2

𝑟2 Ley de la gravitación universal

La constante de coulomb es: La constante de gravitación universal es:

𝐾 = 9𝑥 109 𝑁 𝑚2/𝐶2 𝐺 = 6.67𝑥10−11 𝑁 𝑚2/𝐾𝑔2

Las cargas de los cuerpos en cuestión son q1 y q2

Las masas de los cuerpos en cuestión son m1 y m2

La carga del electrón es -1.6E-19 ó -1.6*10-19 coulombios.

La masa del electrón es 9.11E-31 ó 9.11*10-

31 kg

La carga del protón es +1.6E-19 ó +1.6*10-19 coulombios

La masa del protón es 1.67E-27 ó 1.67*10-27

Kg

La distancia entre los centros de las cargas es r.

La distancia entre los centros de las masas es r.

La separación promedio r entre el electrón y el protón es de 5.3E-11 ó 5.3*10-11 m.

La separación promedio r entre el electrón y el protón es de 5.3E-11 ó 5.3*10-11 m.

𝐹𝐸 = 𝐾𝑞1 𝑞2

𝑟2 𝐹𝐺 = 𝐺

𝑚1 𝑚2

𝑟2

8,2 𝑥 10−8 𝑁 3,6 𝑥 10−47 𝑁

La fuerza eléctrica es más fuerte a nivel atómico que la fuerza gravitacional.

La fuerza gravitacional muy débil a nivel atómico.

Se observa que la fuerza eléctrica es 39 órdenes de magnitud más grande que la fuerza de gravedad, a nivel atómico.

6. ¿Una barra siempre adquirirá el mismo tipo de carga cuando esta se frota

con un excitador cualquiera?

Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana,

se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de

seda. Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o

trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es

equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar

electrizadas se repelen entre sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas

sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio

y viceversa.

Al frotar la barra de vidrio con el paño de seda, se observa que tanto una como

otra se electrizan ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un

tercer cuerpo cargado. Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la

barra con el paño de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior.

Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto paño-barra

se comporta como si no lo estuvieran, manteniendo una neutralidad eléctrica.

7. ¿Los metales son buenos conductores? ¿Las cerámicas son buenos

conductores?. Explique su respuesta.

Los mejores conductores de la corriente eléctrica son los metales, porque ceden más fácil que otros materiales los electrones que giran en la última órbita de sus átomos (la más alejada del núcleo). Sin embargo, no todos los metales son buenos conductores, pues existen otros que, por el contrario, ofrecen gran resistencia al paso de la corriente y por ello se emplean como resistencia eléctrica. El más utilizado de todos los metales es el cobre (Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual que el aluminio (Al).

Los malos conductores materiales aislantes, cuyos átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.

8.

La unidad de medida para la cantidad de carga es el Coulomb (C), ¿Qué es

un Coulomb?, explique, a que equivale numéricamente. Defina: electrón,

protón, neutrón, partícula alfa, ¿cuál es su carga?

El coulomb (C) es la unidad derivada del sistema internacional para la medida de la magnitud física cantidad de electricidad. Nombrada en honor del físico francés Charles-Augustin de Coulomb. Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.

El culombio puede ser negativo o positivo. El culombio negativo equivale a 6,241 509 629 152 650×1018 veces la carga de un electrón. El culombio positivo se obtiene de tener un defecto de electrones alrededor a 6,241 509 629 152 650×1018, o una acumulación equivalente de cargas positivas.

Electrón Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602×10-19 C).

Protón Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10-27 kg. Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.

Neutrón Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.

Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (4He). Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva (+2qe), mientras que su masa es de 4 uma.

9. Consulte el funcionamiento del electroscopio y del generador de Van der Graff.

Generador de van der graff Es un aparato el cual es utilizado para crear voltajes muy altos. Este aparato está basado en los fenómenos de carga por inducción y contacto. Su primera aparición fue en el año 1931 el cual fue construido por el físico

Robert J. Van Der Graff y se ha mantenido

El generador está constituido de:

· Una esfera metálica hueca

· Una correa transportadora

· Dos rodillos uno que es movido por un motor y uno que gira libre movido

por la correa

· Dos peines metálico, uno pegado a las tierra y el otro en el interior de la

esfera

· Un motor eléctrico que moverá uno de los rodillos mencionado

anteriormente

El generador funciona así: Los peines metálicos se encargan de ionizar el

aire con ayuda del rodillo que es impulsado por el motor, de la siguiente

manera: el rodillo está cargado positivamente, este produce cargas eléctricas

contrarias a las suyas que van a la punta de los peines metálicos, el aire es

así ionizado volviéndolo conductor, estos electrones golpean otras moléculas

las ionizan y son repelidas depositándose así en la correa y luego son

transportadas, hasta llegar a la parte interna de la esfera metálica.

El rodillo de la parte superior está diseñado de un material que se carga

negativamente por el contacto con la correa, este rodillo repele los electrones

que son transportados por la parte exterior de la correa y estos electrones

son conducidos a la punta de los peine, las puntas del peine se vuelven

positivas y las cargas negativas van hacia la parte interna de la esfera

metálica.

La efectividad del generador depende de los materiales de los rodillos y la

correa, este puede lograr producir cargas altas si el rodillo de la parte superior

obtiene grandes cargas negativamente e induce al peine cargas positivas

que ocasionan que las cargas negativas del peine se vallan al otro lado del

peine es decir a la parte interior de la esfera.

Este generador está basado en unos principios de la física como lo son: la

Inducción de carga, Electrización por frotamiento y triboelectricidad, una de

las explicaciones del físico Faraday de la transmisión de cargas a una esfera

hueca.

El electroscopio: Este es un aparato el cual reconoce la presencia de cargas eléctricas y expresa su signos. Existe un electroscopio sencillo el cual funciona así: una varilla metálica la cual tiene una esfera en la parte superior y al otro lado de la varilla un par de láminas de oro muy delgadas; la parte superior de la varilla se encuentra sostenida por una caja de vidrio. Al momento de acercar a la esfera un objeto cargado la varilla es electrificada y las láminas de oro que se encuentran al otro lado de la varilla cargadas con el mismo signo se repelen, la discrepancia de las láminas dependerá de la cantidad de carga que haya recibido en la parte superior de la varilla por la esfera, a medida que se aleja el objeto de la esfera las láminas vana regresando a su posición normal

El primer electroscopio apareció gracias a él medico William Gilbert quien lo

creo con el objetivo de realizar experimentos con cargas electrostáticas, con

el tiempo se han creado equipos o aparatos con mejora en base a este.

El electroscopio se basa en el principio de separación de cargas por

inducción

9. DISCUSION Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALES

Pudimos observar que al frotar tanto la barra de ebonita y la de vidrio con los

diferentes materiales, estas quedaban cargadas eléctricamente, lo que se pudo

comprobar al acercarlas al electroscopio de péndulo, ya que el electroscopio

convencional no funcionó.

Se pudo observar que siempre que se acerca tanto la varilla de plástico como la

de vidrio, estas atraían las bolitas del electroscopio de péndulo.

Vimos que la lana era la que más atraía.

Cuando acercamos el electroscopio, para cargarlo por inducción al generador de

vander graff, las bolitas eran repelidas.

Cuando se ponía una barrera de vidrio algo se movían las bolitas

Con barreras e icopor, madera y plástico no se movían.

Cuando dejamos trozos de papel sobre le generador al prenderlo, estos salían

repelidos.

Al acercar una vela prendida, la llama se deformaba al acércala al generador de

vander graff.

Al acercar la mano, se producción corrientazos a através del cuerpo.

Al acercar la bola aislada, se producían chispas.

10. CONCLUSIONES

Los cuerpos que están neutros, al ser excitados, por frotamiento, por

ejemplo adquieren carga, como el caso de la varilla de plástico que se

carga negativamente y la del plástico, positivamente.

Para generar carga por contacto es necesario tocar el elemento, por

inducción, basta con acercarlos.

Al tocar el generador con la mano, este nos produce corrientazos, ya

que el generador en su superficie, esta cargado positivamente y nuestro

cuerpo funciona como tierra, al tocarlo, este quede por un momento

descargado.

La naturaleza de las cargas eléctricas se debe a la estructura

electrónica de cada material que define su comportamiento eléctrico, al

cargar un cuerpo, este repelerá a cuerpos cargados igualmente como el

caso de las varillas de vidrio entre si y atraerá a las que queden

cargados con cargas opuestas como el vidrio con el plástico.

El generador de vander graff genera carga por frotamiento y la trasmite

por inducción o repulsión, por eso al acercar cuerpos cargados

positivamente, estos eran repelidos.

El efecto de que el generador deformara la llama de la vela se conoce

como viento eléctrico y se debe a que la carga presente en el generador

intenta escaparse ante la presencia de la energía de la llama de la vela.