informe laboratorio 1

INFORME Nº 1 LABORATORIO DE FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
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Informe Nº 1 Laboratorio de Fundamentos de Electricidad y
Magnetismo: “Fenómenos Electrostáticos”
Germán Darío Martínez Carvajal (244649), Julio César Chinchilla Guarín (223141), Diego Mauricio Ramos
Remolina (244687) y Cristian Camilo Ruiz Vásquez (244699)
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá
Marzo 5 de 2010
Exponemos una práctica conjunta diseñada para aprender a reconocer la presencia de cargas y el tipo de las mismas cuando se
trabaja con diferentes materiales. Se averiguó qué tipo de carga adquiere una lámina de plexiglás, una de acetato y dos de acetato una
sobre otra al ser frotadas por un paño. Para eso recurrimos a un electroscopio y un electróforo, frotamos con un paño la lámina de
plexiglás, colocamos el electróforo encima, lo conectamos polo a tierra y proseguimos a acercar el electróforo al electroscopio, la lámina
de oro que posee el electroscopio se movió hacia un lado; luego hicimos el mismo procedimiento con la lámina de acetato, la lámina del
electroscopio se mueve hacia el lado contrario que la vez anterior; por último se frotaron dos láminas de acetato, una encima de la otra,
se hizo el mismo procedimiento y según la reacción del electroscopio dedujimos que en ambas láminas se generó la misma carga.
Índice de Términos—Electroscopio, electróforo, carga, transferencia de carga, electrón, protón, neutrón.
I. ASPECTOS INTRODUCTORIOS
D
han
sido observados con mucho interés. Probablemente el
ejemplo más citado de la observación de la electricidad como
fenómeno es el de la atracción que presentaba una barra de
ámbar cuando se frotaba a pequeños objetos como pajitas o
plumas. Hoy en día una persona aplica el mismo principio
cuando disfruta de la levitación de pequeños pedazos de papel
con una regla que también ha sido frotada. Desde hace dos
siglos, la teoría discontinua de la materia, que nos sugiere que
la conformación de la misma con partículas elementales
denominadas átomos, a su vez constituidas por partículas
cargadas y neutras (electrones, protones y neutrones), ha
ayudado a fundamentar los fenómenos eléctricos, como
producto de la interacción de los átomos constitutivos de toda
la materia, a través de los electrones. La carga surge como una
propiedad inherente de la materia.
ESDE LA ANTIGÜEDAD LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS
Benjamin Franklin fue el que le dio los nombres a los tipos
de cargas existentes, positiva y negativa, la elección de estos
nombres fue arbitraria, pero según la elección de Franklin la
carga en una barra de vidrio frotado es positiva, mientras la
carga en una regla de plástico frotado es negativa; Franklin
argumentó que siempre que cierta cantidad de carga se
produce en un objeto, una cantidad igual del tipo opuesto de
carga se produce en otro objeto, por ejemplo, cuando una regla
de plástico se frota con una toalla de papel, el plástico
adquiere una carga negativa y la toalla adquiere una cantidad
igual de carga positiva, las cargas están separadas, pero su
suma es cero. [1]
La magnitud de una carga está ligada a la existencia de las
partículas subatómicas cargadas. La carga de un protón se
designa como (e) y la del electrón (-e). “e” se considera la
unidad fundamental de la carga, y tiene un equivalente en el SI
de unidades (Figura 1).
Figura 1. Carga de un protón.
En un fenómeno en el cual la materia queda parcialmente
cargada, ligado la interacción entre dos materiales con
diferente electronegatividad, la carga tiene un flujo. Pero en
ningún proceso se puede crear o disipar una carga neta, la
carga total del universo siempre es constante. Cuando
frotamos plástico con piel, los electrones migran hacia el
plástico dándole una carga parcial negativa, pero dicha carga
parcial tiene igual magnitud en la piel con signo contrario.
Ahora vemos qué dice la ley de la conservación de la carga
eléctrica “la cantidad neta de carga eléctrica producida en
cualquier proceso es cero”, aunque también se podría decir
“ninguna carga eléctrica neta se puede crear o destruir”.
Se dice que la electricidad se origina dentro del átomo
mismo, se define al átomo como un núcleo lleno de protones
(carga positiva) y de neutrones (carga neta igual a cero),
rodeado por uno o varios electrones (carga negativa) que debe
tener la misma carga eléctrica en magnitud, ya que sus signos
son opuestos, mientras los neutrones contienen igual número
de electrones y neutrones; hay ocasiones en las que los átomos
pueden perder o ganar electrones, por lo que tendrá carga neta
positiva o negativa, a estos átomos se les llama iones.
Los fenómenos mencionados relativos al flujo de carga nos
llevan a pensar en nuevos conceptos, cuando un material
permite transportar la carga o no. Todo depende de la
naturaleza química del material, en un sólido sólo podrá
desplazarse carga negativa, mientras que sistemas en fase
líquida (acuosa) o gaseosa ambas cargas pueden tener un flujo.
Los electrones en un sólido se podrán mover de acuerdo con la
naturaleza aislante o conductora del material. La gran mayoría
de los metales son altamente conductores, debido a los
espacios vacíos que se encuentran en los niveles transicionales
de energía por los cuales los electrones pueden circular; en un
material aislante estos espacios no existen. Elementos
diseñados específicamente para confirmar la presencia de
carga en un cuerpo son diseñados en concordancia con los
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conceptos de conductividad, ejemplos claros son los
electróforos y electroscopios.
Un electróforo (Figura 2) es un instrumento que permite
almacenar una carga durante mucho tiempo cuando se carga
por inducción. Consiste en un platillo de metal aislado por un
recubrimiento. Cuando la parte recubierta del electróforo entra
en contacto con una superficie cargada, permite que el platillo
se polarice. En una polarización los electrones de un material
se redistribuyen en todo el objeto debido a la atracción que
sientan por una carga de sentido contrario (cargas con signo
opuesto se atraen y con signo contrario se repelen) que no está
en contacto directo con el material. En los materiales sólidos,
la polarización se debe netamente a la libertad de algunos
electrones de moverse en un material. Si el electróforo hace
contacto con una superficie cargada positivamente, los
electrones del platillo se moverán atraídos por la misma hacia
el recubrimiento y la parte que no está recubierta quedará
cargada positivamente debido al defecto de electrones que
sufrirá. La conexión de esta parte a tierra por otro lado hará
que sus cargas positivas atraigan electrones de la tierra y
queden neutralizadas, por lo que el electróforo adquiere una
carga neta negativa en este caso. El contacto de la superficie
no recubierta del electróforo con la tierra termina de cargar el
electróforo pero por conducción o transferencia de carga.
Figura 3. Electroscopio.
II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
EL OBJETIVO DE LA PRÁCTICA fue comprender el
comportamiento del electroscopio con diferentes tipos de
cargas y aprender a identificarlas. Primero contamos con los
siguientes materiales:
 1 electroscopio.
 1 electróforo.
 1 lámina de plexiglás.
 2 láminas de acetato.
 1 paño.
En el laboratorio se realizaron 3 procedimientos. El primero
fue:
1. Frotar una lámina de plexiglás con un paño para
cargarla (se espera que la carga que adquiera sea
positiva, según la información de las guías
suministradas).
2. Colocar el electróforo sobre la lámina de plexiglás,
tal como se ilustra en la Figura 4.
Electróforo
Lámina
Plexiglas
Figura 2. Electróforo.
Por otro lado el electroscopio permite identificar la
presencia de carga en el cuerpo, y en un conjunto seguido de
pasos determinar si dos cuerpos tienen la misma carga o no.
Figura 4. Electróforo cargándose.
3.
Un electroscopio (Figura 3) se carga generalmente por
transferencia de la carga. Una barra de metal conduce la carga
hasta dos laminillas de oro que por obtener dicha carga, y ser
del mismo signo en cada laminilla, estás se repelerán. Si la
magnitud de la carga aumenta, la fuerza de repulsión será
mayor.
Conectar la parte superior del disco del electróforo a
tierra por un instante, se puede observar en la Figura
5 este procedimiento.
Tierra
Figura 5. Electróforo conectado a tierra.
4.
Acercar el electróforo al electroscopio hasta que se
vea o escuche que salta una chispa.
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5.
6.
7.
Conectar el electróforo a tierra para descargarlo.
Repetir el procedimiento de carga del electróforo,
pero esta vez no con una lámina de plexiglás sino con
una de acetato.
Acercar el electróforo al electroscopio y observar qué
pasa con el mecanismo del electroscopio (Figura 6).
Figura 6. Reacción del electroscopio.
El segundo procedimiento fue:
1.
2.
3.
4.
Colocar 2 hojas de acetato adyacentes.
Frotar la hoja superior son un paño.
Acercar la hoja superior al electroscopio y observar
los que ocurre.
Acercar la hoja inferior al electroscopio y observar lo
que ocurre.
El tercer y último procedimiento fue:
1.
2.
3.
Frotar un objeto (tubo de PVC) con un paño.
Acercarlo al electroscopio.
Conectar el electroscopio a tierra y observar lo que
ocurre (Figura 7).
Tubo PVC
Tierra
Figura 7. Reacción del electroscopio después de estar a tierra.
III. RESULTADOS Y ANÁLISIS
POR LO GENERAL, gracias a las guías suministradas, se sabe
que la lámina de plexiglás queda cargada positivamente
cuando se frota con un paño y con base en esto se hará la
deducción de los resultados.
En el primer procedimiento, al cargar el electróforo tanto
con la lámina de plexiglás como con la de acetato se obtuvo el
mismo resultado, observando que la lámina metálica móvil se
apartaba de la lámina metálica fija cuando se acercaba el
electróforo al electroscopio, indicando que efectivamente el
electróforo adquiría carga al ponerlo en contacto con las
láminas. Hubo complicaciones al cargar el electroscopio, pues
rara vez se escuchaba la chispa, sin embargo fue posible
determinar que la carga de la lámina de acetato era negativa,
porque si ésta (el electróforo cargado) se acercaba al
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electroscopio cargado previamente por la lámina de plexiglás,
el ángulo formado entre las placas móvil y fija disminuía,
indicando entonces una carga de signo contrario a la que
originalmente tenía el electroscopio.
En el segundo procedimiento se encontró que al acercar una
hoja de acetato y luego la otra el ángulo del electroscopio
disminuye en gran medida, esto nos indica que están cargadas
de forma contraria, es decir, una de las hojas esta cargada
negativamente y la otra positivamente, esto ocurre por que la
lámina superior se carga por contacto al ser frotada por el
paño, mientras que la inferior se carga con el signo contrario
debido a que la primera lámina hace que los electrones de esta
se orienten y adquiera una carga electrostática que ayude a
mantener el equilibrio con la primera.
En el tercer procedimiento se obtuvo que el electroscopio
quedaba también cargado si se ponía en contacto con el tubo
de PVC, luego de frotarlo con el paño, ya que se observaba la
aparición de un ángulo entre las placas fija y móvil del
electroscopio, este ángulo se sostenía hasta que se hacía la
conexión a tierra. Sin embargo, si el electroscopio se
encontraba conectado a tierra y se ponía en contacto con el
tubo de PVC, se observaba entonces que aparecía por un
instante muy corto el ángulo entre las placas metálicas y
disminuía vertiginosamente hasta quedar completamente
paralelas, en algunos casos ni siquiera se podía observar a
formación del ángulo.
Pero a partir de estos resultados surgen varias preguntas,
tales como las mencionadas a continuación.
¿Por que un cuerpo cargado atrae un trozo de papel (neutro)?
Esto sucede por que cuando un cuerpo esta cargado
electrostáticamente lo que se produce, como se vio
anteriormente, es un desequilibrio en la superficie del mismo y
la forma de disiparla es perder o ganar los electrones que
fueron movidos de dicha superficie, es decir se crea un exceso
o un defecto de electrones, esto genera un gradiente de tipo
eléctrico y hace que otras superficies orienten sus electrones y
queden parcialmente cargadas, así cuando se acerca un objeto
cargado positivamente a una hoja de papel este orienta sus
electrones hacia el objeto lo que origina una carga
electrostática negativa y por ello una atracción entre los dos
objetos; Cuando la carga se origina como se ha descrito sin
importar cual sea el signo del objeto cargado, el segundo
objeto siempre optará por una carga de signo contrario, razón
por la que dichos objetos siempre se atraen.
¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método de
frotamiento?
El proceso de cargar un cuerpo por rozamiento esta
ampliamente limitado por la capacidad del mismo de crear y
mantener desequilibrios eléctricos, un cuerpo metálico no
puede ser cargado por frotamiento debido a la alta
conductividad que presentan este tipo de materiales gracias a
sus niveles de energía vacios por los que se mueven con
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libertad los electrones a través del cuerpo, en otras palabra un
metal no puede mantener una carga electrostática debido a que
en el momento en que se produzca el metal conducirá los
electrones hasta llegar el estado de equilibrio (neutro), así si
un metal es frotado se producirán pequeñas cargas
electrostática debido a la mayor afinidad de uno u otro
material por los electrones, pero en cuanto ambos cuerpos
sean separados los electrones fluirán de manera rápida desde o
hacia el metal haciendo que no se pueda apreciar una carga
electrostática.
¿En que fenómenos de la vida cotidiana observamos
electricidad estática?, Si estos fenómenos son molestos ¿Cómo
podrían evitarse?
Normalmente el ser humano se encuentra en presencia de
un gran número de fenómenos electrostáticos, originados
principalmente por fricción, ejemplo de ellos son las
pequeñas cargas originadas por el peine al pasar por el cabello,
o por caminar en una alfombra usando zapatos de goma,
también se originan cargas electrostáticas en la mayoría de
aparatos eléctricos de uso doméstico, ejemplo de ello son las
pantallas, que se cargan después de ser usadas durante un
intervalo de tiempo; todos estos son fenómenos de pequeña
magnitud que pasan casi desapercibidos pero hay otros en los
que la electricidad estática es mucho más apreciable e
importante, por ejemplo muchas fotocopiadoras e impresoras
láser funcionan gracias a la electricidad estática [4] originada
por un rayo de luz sobre un tambor fotosensible y la carga
electrostática es usada para fijar el polvo de impresión al
papel, Cuando un auto viaja a alta velocidad a través de aire
seco su superficie exterior también adquiere una carga
electrostática considerable, de igual manera las tormentas
eléctricas son producidas por cargas electrostáticas en las
nubes que interactúan con la tierra ionizando el aire y
produciendo una gran chispa.
Actualmente existen en el mercado pequeños dispositivos
que permiten eliminar [5] las cargas electrostáticas que
constan de un pequeño conductor que eventualmente disipa las
cargas, a demás se pueden tomar otras precauciones para
evitar cargas electrostáticas, como por ejemplo no poner en
contacto superficies aislantes, humidificar el aire, o
simplemente establecer un contacto entre el objeto y la tierra.
¿Cómo influye la humedad del ambiente en la descarga del
electroscopio?
El agua como molécula polar tiene la propiedad de
orientarse según el exceso o falta de electrones que se puede
manifestar en una carga electrostática, es decir, en presencia
de aire húmedo una carga electrostática se disipará mas
rápidamente, debido a que los electrones podrán moverse con
mayor libertad que en un ambiente seco y las cargas serán
neutralizadas de igual forma. En un ambiente seco los
electrones tendrán una mayor dificultad para moverse a través
del aire, lo que eventualmente producirá un arco que indica
flujo de electrones a través de una trayectoria definida por las
partículas ionizadas en el aire, cuando hay agua presente en el
4
ambiente dicho arco no se producirá, debido a que los
electrones se moverán aleatoriamente entre las partículas de
agua.
IV. CONCLUSIONES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Un material con carga neutra puede adquirir o no una
carga neta positiva o negativa dependiendo del
material frotado.
Un objeto cargado negativamente, cargará
positivamente a otro si lo hace por inducción, así un
objeto
cargado
positivamente,
lo
cargará
negativamente. En general, si se carga un objeto por
inducción, éste quedará cargado con el signo
contrario del objeto que lo está cargando.
Partículas con el mismo signo de carga tenderán a
repelerse. Se puede observar lo anterior cuando al
cargar el electroscopio aparecía un ángulo entre las
láminas estática y móvil, ya que ambas quedaban
cargadas con el mismo signo.
Partículas de signo contrario tenderán a atraerse. Lo
anterior se observa cuando luego de cargar al
electroscopio se le acercaba un objeto con carga de
signo contrario y se observaba una disminución en el
ángulo entre las láminas.
La facilidad con que un cuerpo adquiere una carga
electrostática depende no sólo de sus propiedades
sino también de las características del medio
ambiente.
La tierra funciona como un gran conductor capaz de
disipar cargas muy rápidamente sin importar si son
positivas o negativas, por esta razón se usa una
conexión llamada polo a tierra.
El exceso o defecto de electrones en una carga
electrostática está determinado tanto por el método
por el que el cuerpo adquiere la carga como por las
propiedades intrínsecas del mismo.
V. BIBLIOGRAFÍA
[1] GIANCOLI, Douglas, “FÍSICA, PRINCIPIOS CON
APLICACIONES”, Pearson Educación, 6ª edición, México,
2006.
[2] TIPLER, P. A., “FÍSICA PARA LA CIENCIA Y LA
TECNOLOGÍA”, Electricidad y magnetismo. Luz. Física
moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.
[3] León, ". d. (s.f.). Recuperado el 2 de Marzo de 2010, de
http://www.xtec.cat/~cgarci38/ceta/historia1/maquiele.htm
[4]http://www.freewebs.com/xe3wma/electricidadestatica.htm
l
[5] http://helektron.com/aparato-para-eliminar-la-electricidadestatica/