LAB 1 Electroestatica

GUÍA Nº 1
ELECTROSTATICA
1.- Introducción
Los fenómenos eléctricos son conocidos desde la Antigüedad. Los griegos sabían
que frotando un trozo de ámbar
( ελεκτρυ en griego) éste se electrificaba y
atraía trozos de paja o plumas. Posteriormente en el siglo XV, William Gilbert
descubre que la electricidad es un fenómeno que se da en todos los cuerpos incluso
en las personas. Sólo en 1785 Charles Coulomb establece una ley cuantitativa de
las fuerzas eléctricas.
La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas de signos
opuestos llamadas positivas y negativas. Usualmente los cuerpos son
eléctricamente neutros y mediante algunos procesos físicos se les puede hacer
perder o ganar cargas eléctricas quedando de esta forma cargado eléctricamente.
Estos procesos son: carga por frotamiento, carga por inducción y carga por
contacto.
Carga Eléctrica
Carga por frotamiento
En la vida diaria es frecuente observar fenómenos eléctricos que se producen por
frotamiento. Por ejemplo al peinarnos o cepillarnos el pelo pueden generarse
chispas eléctricas que a veces se detectan por el ruido que producen. Lo mismo
ocurre cuando nos quitamos un jersey o una camisa de fibra sintética. Según las
sustancias se pueden considerar cargas dos tipos de carga: positivas y negativas.
Se puede comprobar que cuerpos con cargas iguales se repelen y cargas de distinto
tipo se atraen.
La explicación de los dos tipos de carga en los cuerpos está en la naturaleza
eléctrica de la materia. En los átomos hay igual número de protones (carga +) que
de electrones (carga -). Cuando dos cuerpos se frotan, parte de los electrones de
uno de ellos pasa al otro quedando cargado positivamente mientras el que los
recibe queda cargado negativamente. Los protones no participan porque están en el
núcleo.
Conductores y aislantes
Los metales permiten moverse la carga eléctrica son los conductores y los que no
dejan pasar las cargas eléctricas los aislantes. En un lugar intermedio están los
semiconductores como el silicio y el germanio con los que se construyen diodos,
transistores, chips...
Carga por inducción
Si frotamos un bolígrafo y luego lo acercamos a un papel vemos que lo atrae. Al
acercar el bolígrafo al papel las cargas del bolígrafo repelen a las del mismo signo
del papel y atraen a las de signo opuesto. En el papel se ha inducido una carga de
signo opuesto a la del bolígrafo y ambas se han atraído. Lo mismo ocurre con un
globo cargado por frotamiento con un jersey. Cuando se acerca el globo a una
pared en la pared se induce una carga de signo opuesto a la del globo y la fuerza
entre cargas de signo opuesto mantiene al globo en la pared. También un peine que
se ha frotado en el pelo atrae a un chorrito de agua al aparecer en el chorro una
carga de distinto signo a la del peine
2.- Aprendizajes Esperados
a) De acuerdo al programa de estudios
Asignatura: Física Electromagnetismo
Área Ciencias Básicas
Responsables: Patricio Pacheco H./Jacqueline
Alea P.
Fecha actualización: Otoño 2009
2.1.- Criterios de Evaluación
a) Experimentar cualitativamente con fenómenos de carga por frotamiento,
conducción e inducción
b) Reconocer las propiedades más relevantes de los mismos.
3.-Materiales
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
j)
k)
Set de Electrostática
Barras de vidrio, plástico, pvc, etc.
Péndulos
Generador de van de Graff
Penacho
Taburetes aisladores
Punta metálica
Tubo fluorescente
Cinta aislante
Molinillo con soporte aislante
Esfera conductora conectada a tierra
4.- Actividades
4.1.- Procedimiento 1
EXPERIENCIA
I: CARGA POR FROTAMIENTO
a) Frote la barra de pvc o de plástico con un paño y acérquela a distintos
materiales como trocitos de papel, motitas de algodón, esferitas de
aluminio, etc. Describa y explique lo que observa.
b) Repita usando ahora una barra de vidrio. ¿Hay algún cambio?
c) Frote la barra de pvc y acérquela a un fino chorro de agua, ¿Qué ocurre?
Explique el fenómeno.
d) Construya los esquemas de distribución de las cargas para cada forma de
cargar eléctricamente cuerpos.
EXPERIENCIA
II: EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS
a) Cargue una barra de pvc frotándola con algún otro objeto y toque un
péndulo descargado por algunos segundos. Luego separe la barra del
péndulo y vuelva a cargar la barra y acérquela al péndulo cuidadosamente
sin tocarlo y describa lo que ocurre. Explique el fenómeno.
b) Cargue dos péndulos por contacto con la barra de pvc. Luego acerque los
péndulos lentamente. Explique lo observado.
c) Cargue primero un péndulo y enseguida colóquelo muy cerca, pero sin tocar
la barra metálica como muestra la siguiente figura:
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d) Luego cargue la barra de pvc y toque el extremo libre de la barra metálica.
Explique lo que sucede con el péndulo.
4.2.- Procedimiento 2
GENERADOR DE VAN DE GRAAFF
El propósito del generador de Van de Graaff es depositar una gran cantidad de
carga eléctrica positiva sobre un domo metálico conductor. El generador, que utiliza
la electrización por frotamiento y por inducción, actúa como un grifo de cargas que
se almacenan en el domo del generador.
2.1 Procedimiento: Pelos de punta
a) Con el generador detenido, un compañero subido sobre una silla aislada
pone la mano sobre el domo y en la otra sujeta el penacho de papeles. Se
pone en marcha el generador. El cuerpo de la persona que sujeta el penacho
se va cargando y las hojas del penacho acaban por separarse y
eventualmente los pelos se ponen de punta (se le acerca un espejo para que
pueda verse). Para facilitar el proceso se debe agitar la cabeza para que se
deshagan las hebras de pelo, hay que asegurarse que no se quita la mano
del domo, no se toca a nadie ni a ninguna cosa, ni se baja de la silla. Si se
infringen estas normas se siente un calambre desagradable. Esto ocurre
porque al hacerlo se completa la conexión eléctrica y hace de tierra. La
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electricidad estática, en lugar de permanecer en el cuerpo pasa ahora a
tierra.
b) Se repite el experimento con varios asistentes, subidos a sillas aislantes y
agarrados de la mano, antes de poner en marcha el generador. El último
sujeta el penacho de papeles que se repelen cuando el generador se pone
en marcha. Eventualmente los pelos de los agarrados de la mano se ponen
en punta.
Campo Eléctrico
El espacio que rodea a una carga o conjunto de cargas queda perturbado por la
presencia de las mismas que ejercen su acción a distancia. Se dice que en el
espacio hay un campo eléctrico y la perturbación se aprecia porque, si en el espacio
se pone una carga de prueba (que por convenio se supone positiva) experimenta
una fuerza.
En los experimentos que siguen se puede apreciar que la carga sobre el domo del
generador produce ionización en las moléculas que están próximas, en las del aire o
en las de un tubo fluorescente próximo al domo.
2.2 Procedimiento Ionización del gas de un fluorescente
a) Se pone en marcha el generador de Van de Graaff y se coloca muy próximo
un fluorescente que se sujeta por un extremo y se aproxima sobre el otro.
Apagando la luz puede apreciarse como el fluorescente se enciende.
2.3 Procedimiento Viento eléctrico
a) Se coloca con cinta aislante un conductor con forma de punta sobre el domo
del generador y apuntando radialmente hacia fuera utilizando la cinta
aislante o la plastilina. Al acercar una vela encendida a la aguja se observa
como se desvía la llama e incluso la vela se apaga.
b) Se detiene el generador y se descarga con una punta metálica. Un asistente
toca el domo subido sobre un taburete aislado. Se pone en marcha y
después estira su dedo hacia una vela encendida que de nuevo oscila. En
esta ocasión el dedo hace de punta.
2.4 Procedimiento Un molinillo eléctrico
a) Se conecta el generador y se aproxima el molinillo al domo del generador.
Cuando este se pone en marcha, el molinillo empieza a girar cada vez con
mayor velocidad.
b) La distribución de la carga sobre el domo del conductor es uniforme debido a
su forma esférica. Esto no ocurre para los objetos con forma irregular o no
simétrica. Por esta razón las partes estrechas siempre tienen mayor
concentración de cargas que las partes anchas. El efecto será máximo para
los objetos en forma de punta. En la punta que se ha colocado sobre el
domo la carga en la punta será tan intensa que ionizará las moléculas del
aire próximo. Los iones negativos se desplazarán hacia el domo del
generador para neutralizar su carga (que se supone que es positiva). Los
iones positivos, sin embargo, se alejan (debido a la repulsión electrostática)
de la carga del generador y no se neutralizan. A medida que el generador
funciona proporciona más y más iones positivos a alta velocidad. Los iones
repelidos forman un viento llamado “viento eléctrico” que sopla alejándose
del generador.
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c) En el molinillo la carga fluye desde el domo hacia las puntas. Esta carga
distribuida forma una nube de iones en el aire. Cada punta negativa es
repelida por la nube de iones asociada haciendo que gire.
2.5 Procedimiento Chispas y Rayos
a) Se hacen saltar chispas entre el domo y una esfera conductora conectada a
tierra simulando rayos
b) La esfera conectada a la base del generador (a tierra) se coloca a unos
pocos centímetros del domo del generador de Van de Graaff. Cuando se
conecta, el domo queda cargado negativamente y la esfera conectada a
tierra queda cargada positivamente por inducción. Como ocurre con la parte
baja de una nube y el suelo. Salta una chispa y las dos esferas pierden sus
cargas. También se oyen chasquidos. Las chispas equivalen a los rayos y los
chasquidos son los truenos.
c) Varias veces a lo largo de esta sesión se ha descargado el domo del Van de
Graaff con un objeto conductor en punta que se sujeta con la mano.
d) Con el sistema funcionando, una punta conectada a tierra se orienta hacia el
domo del Van de Graaff desde una distancia de varias veces la distancia
entre el domo y la esfera conectada a tierra. La punta descarga al domo,
evitando la construcción de una carga y la consiguiente descarga. Aquí se
está simulando un pararrayos.
4.2.- Cálculo y Resultados
a) ¿Por qué algunos cuerpos son buenos conductores de la electricidad,
como el cobre?
b) ¿Y por que otros son malos conductores de la electricidad, como el
vidrio?
c) ¿Qué hace la diferencia?
d) Investigue acerca de la teoría de bandas: banda de valencia y bandas
de conducción.
4.3.- Investigación Previa al Experimento:
Rayos Truenos
En una tormenta eléctrica, las nubes de tormenta están cargadas. La parte
superior de la nube es positiva y la parte baja es negativa. El cómo la nube
adquiere esta carga no se ha explicado bien todavía.
La parte de abajo una nube lleva carga negativa. Aparecen, por inducción, cargas
positivas sobre el suelo, edificios, palos de barcos, banderas, cimas de montañas o
árboles.
Se supone que desde la parte baja de la nube aparece un zigzag de segmentos o
escalones de carga eléctrica negativa formada por segmentos en zigzag o
escalones.
Cuando el zigzag está a una distancia de unos 45 metros de una carga positiva
sobre el suelo, desde el suelo un chorro serpenteante de carga positiva sube para
encontrarse con el y se produce un rayo. También se producen rayos entre las
nubes.
Un rayo se produce en medio segundo. En ese tiempo, el rayo calienta el aire
circundante a una gran temperatura. El aire cercano se expande y vibra,
produciendo el sonido que escuchamos como el trueno. El sonido viaja más
lentamente que la luz, por lo que parece que el trueno ocurre después.
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Fecha actualización: Otoño 2009
En 1752 el científico y hombre de estado, Benjamin Franklin, realizó un
experimento para demostrar que los rayos eran electricidad. Durante una tormenta
en Filadelfia, Pensilvania, Franklin y su hijo Guillermo hicieron volar una cometa
casera con un cable metálico unido a ella. Franklin pensó que un rayo incidiría
sobre el alambre, fluiría sobre el cable de una cometa hasta una llave atada cerca
del extremo.
La cometa entró en una nube de lluvia. Franklin vio saltar una chispa. El
experimento funcionó. El rayo tenía que ver con la electricidad. Franklin fue
afortunado. Si el rayo hubiera sido más intenso hubiera podido resultar herido.
Posteriormente Benjamin Franklin desarrolló el pararrayos – una punta metálica
unida a los cimientos del edificio que se quiere proteger por una conducción de
cobre o aluminio introducido en el suelo. El funcionamiento de los pararrayos se
conoce mal, no atraen a los rayos sino que proporcionan un camino de baja
resistencia hacia el suelo que puede conducir enormes cantidades de electricidad
procedentes de los rayos.
5.- Bibliografía
1. R. Serway, Vol. II , Física, Editorial Mc Graw – Hill, 2005
2. Tipler,.Fisica, Editorial McGraw - Hill, 1999
3. Sears y Zemansky, Fisica General, Editorial Aguilar S.A. , España, 1980
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