Informe 1 Física Electrostática PDF

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Informe sobre fenómenos electrostáticos
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FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS L.D Jiménez Sánchez a, L.A Martínez Cañón b, G.F Perdomo Cáceres c, E.E Portillo Chaustre d, C.A Castro Velosa e. a

F  ísica electricidad y magnetismo , facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía

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Física electricidad y magnetismo , facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía Física electricidad y magnetismo , facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía

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Física electricidad y magnetismo , facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía Física electricidad y magnetismo , facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía

RESUMEN Fecha de entrega: agosto 2, de 2018. Informe: número 1

Palabras clave: Electrostática Carga Electroscopio Electrones Protones Núcleo Conductor Aislante

Con el propósito de lograr un acercamiento experimental a los fenómenos electrostáticos, se realizó una serie de experimentos para determinar los diferentes tipos de carga que posee un cuerpo. Mediante la observación cuidadosa del comportamiento de distintos instrumentos, se determinó como dos materiales se pueden cargar por frotamiento y de qué forma actuarán distintos elementos a partir de la aclaración sobre materiales conductores y aislantes. ____________________________________________________________________________

ABSTRACT ____________________________________________________________________________

With the aim of achieving an experimental approach to the electrostatic models, a series of experiments was carried out to determine the different types of charge a body possesses. By carefully observing the behavior of the instruments, it was determined how two materials can be loaded by rubbing and how important elements will act from the clarification on conductive and insulating materials.

1. Introducción La parte de la física que tiene que ver con la carga eléctrica, sus propiedades y la forma como se presenta la interacción entre partículas cargadas se llama electrostática. La naturaleza eléctrica está relacionada con los átomos de todas las sustancias. Un átomo consta de un pequeño núcleo masivo que contiene partículas denominadas protones, que tienen carga positiva, y una nube de partículas en órbita al núcleo denominadas electrones, que tienen carga negativa. Es posible transferir carga eléctrica de un objeto a otro, por lo general, se transfieren electrones y el cuerpo que los gana adquiere un exceso de carga negativa. Tal separación de cargas ocurre a menudo cuando se frotan entre sí dos materiales distintos [1].

Las cargas eléctricas desempeñan un papel en muchos procesos diferentes al frotamiento de dos superficies entre sí. Por ejemplo; las reacciones químicas hacen que los átomos se combinen y formen moléculas diferentes. También en desintegración radiactiva, la fisión o algunas otras reacciones nucleares. Una gran cantidad de experimentos han comprobado que en cualquier situación se cumple la ley de la conservación de la carga eléctrica: Durante cualquier proceso, la carga eléctricamente neta de un sistema aislado completo permanece constante [2]. Una característica fundamental de las cargas eléctricas, es que las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de diferentes signo se atraen

entre sí. La carga eléctrica puede existir no sólo en un objeto, sino que puede moverse a través de él, sin embargo los materiales difieren bastante en cuanto a su capacidad para permitir que las cargas eléctricas se desplacen o sean conducidas a través de ellos. Esto se debe a las propiedades atómicas de cada material. Las sustancias con elevada conductividad eléctrica se denominan conductores eléctricos. En general materiales que son buenos conductores térmicos, también son buenos conductores eléctricos. Los materiales que conducen deficientemente la electricidad, se denominan aislantes eléctricos. En muchos casos, los aislantes térmicos también son aislantes eléctricos . Con todos los anteriores conceptos definidos y comprendidos, se tiene como finalidad realizar un primer acercamiento a este campo de la física, a través de experimentos demostrativos clásicos, los cuales se desarrollarán mediante una práctica de laboratorio, la cual tiene como uno de los objetivos determinar de forma experimental, cuándo un objeto está cargado eléctricamente, esto se puede comprobar con un dispositivo llamado electroscopio, el cual detecta pequeñas cantidades de carga.

Fotografía 1. Kit de electrostática SF-9068

En el apartado dos, fotografía 2 de este documento, muestra un electroscopio que consiste en dos cintas delgadas montadas en el extremo inferior de una barra metálica. Una perilla metálica cubre la parte superior de la barra y paredes de vidrio resguardan las hojas para evitar los efectos de las corrientes de aire. Un tapón aislante de hule separa la barra metálica de la envolvente metálica , de modo que no haya fuga de cargas de la barra[3]. Otro de los propósito que se busca lograr con esta práctica es reconocer las diferencias entre un material aislante y uno conductor, así como también analizar cuándo dos objetos tienen iguales o diferentes cargas entre sí.. 2. Montaje experimental La primera parte de la práctica se realizó con un kit de electrostática (kit de electrostática SF-9068), el cual contiene soportes pivotados, varillas de diferentes materiales (PVC, acrílico y vidrio respectivamente) y muestras de seda, tela y piel. Adicionalmente durante la práctica también se utilizó un electroscopio. (electroscopio SF-9069).

Fotografía 2: electroscopio SF-9069 Inicialmente se cortaron varios pedazos de papel, antes de empezar se comprobó si las varillas tenían carga adquirida utilizando el electroscopio, para comprobar que los instrumentos a trabajar fuesen neutros. Posteriormente, se procedió a frotar las varillas con los diferentes materiales dispuestos en el kit para luego acercar las varillas a los papeles y observar si estos eran atraídos por ellas, adicional a esto, después de frotar cada varilla, ésta se acercaba al electroscopio para determinar si se encontraba cargada. Para realizar todo lo anteriormente indicado, se realizaron suficientes combinaciones

varilla-frotador con el fin de tener más observaciones que analizar. Las combinaciones realizadas se encuentran en el apartado número 3, tabla 1 de este documento. Después de determinar las parejas varilla-frotador que producían carga o que no la producían, se desarrolló la segunda parte de la práctica. Para este segmento se frotaron dos de las varillas y se colocaron en los soportes pivotados acercando entre sí los extremos cargados de cada varilla y asegurando que el soporte se encontrara totalmente estabilizado, con el fin de observar si las partes cargadas se atraían o repelían, indicando si poseían igual o diferente carga. Al terminar esta parte se obtuvieron varias parejas de varilla-frotador y varilla-varilla, estas parejas se pueden observar en el apartado 3, tabla 2 de este documento. Para la tercera y última parte de la práctica, se utilizó un generador de Van der Graaff (generador de Van der Graaff SE-8691).

3. Resultados Los datos obtenidos mediante la observación del comportamiento de los materiales en la práctica se encuentran organizados en las siguientes tablas, donde en la primera probamos si el cuerpo frotado posee carga acercandolo a unos papeles y al electroscopio, y en la segunda, juntamos los 2 cuerpos para ver cómo se comportan. Tabla 1: Parejas varilla-frotador con respectivas respuestas electrostáticas Muestra Material frotadora frotado

Reacción papeles

Reacción Electroscopio

Piel

PVC

Atrae

Cargado

Piel

Vidrio

Atrae

Cargado

Piel

Acrílico

Atrae

Cargado

Tela

PVC

Atrae

Cargado

Tela

Vidrio

No atrae

No cargado

Tela

Acrílico

Atrae

Cargado

Seda

PVC

Atrae

Cargado

Seda

Vidrio

Atrae

Cargado

Seda

Acrílico

Atrae

Cargado

Tabla 2: Reacción entre varillas cargadas

Fotografía 3: generador de Van der Graaff SE-8691 En esta sección se utilizaron diversos elementos, entre los que se encuentra una pluma eléctrica la cual posee una ventosa que fue montada en la cúpula del generador, al igual que una lámpara fluorescente y molino metálico que fueron expuestos al generador acercandolos al domo de este pero sin que esta lo tocase, con el propósito de contemplar y analizar cómo reaccionan los elementos mencionados anteriormente al generador.

Material Cargado 1

Material Cargado Reacción 2

PVC

Seda

Acrílico

Piel

Repelen

PVC

Seda

Vidrio

Piel

Atraen

PVC

Seda

Acrílico

Tela

Atraen

PVC

Seda

Vidrio

Tela

Atraen

PVC

Piel

Acrílico

Tela

Atraen

PVC

Piel

Vidrio

Tela

Atraen

tomaban cargas opuestas que se podían contemplar cuando estos se atraían.[4] 4. Análisis Los datos obtenidos en el primer segmento de la práctica permiten entender que un material neutro se puede cargar efectuando fricción contra otro objeto neutro para obtener así una carga positiva o negativa, este mecanismo de carga se le conoce como carga por contacto, la cual se produce por el intercambio de electrones, si el material 1 cede electrones al material 2, el material uno queda con un exceso de protones, por tanto su carga será positiva, mientras que el material dos queda con exceso de electrones, quedando con carga negativa. Teniendo en cuenta que cargas iguales se repelen y cargas negativas se atraen, al estar cargados estos objetos pueden atraer o repeler a otros dependiendo del tipo de las cargas entre sí. En el caso de la práctica los papeles, también se pudo observar que la conductividad eléctrica depende de los materiales, por ejemplo, el vidrio es muy mal conductor, por tanto necesitaba ser frotado por mucho tiempo para poder cargarse, y aún así, su carga no era tan fuerte, mientras que por el contrario, el pvc es muy buen conductor, ya que no necesitaba frotarse tanto para poder cargarse y su fuerza de atracción para con los papelitos era bastante alta. También pudimos observar que los diferentes tipos de muestras con los que se frotaban los materiales eran fundamentales a la hora de hacer el experimento, por ejemplo, los materiales que fueron frotados con el trozo de piel sintética, cargaron más rápido a pesar de no ser tan buenos conductores, como en el caso del vidrio, mientras que por otro lado, la tela retardaba el proceso de carga, incluso con el PVC. Todo esto pudo darse también a causa de la conductividad de los materiales, indicando que la piel era muy buena conductora eléctrica, pero la tela en definitiva no. En el segundo segmento de esta práctica se buscaba encontrar si los diferentes materiales en el kit electrostático podían cargarse al frotarlos, dando las pruebas un resultado positivo al utilizar el electroscopio, y de acuerdo a las observaciones de Benjamin Franklin se concluyó que en algunos condiciones los instrumentos utilizados para la práctica tomaban cargas iguales, pudiéndose percibir esto en un efecto de repulsión y en otras condiciones

Se encontraron datos que no revelaban el tipo de carga eléctrica del material, por lo que se procedió a investigar las cargas que adquirían estos en la literatura y contrastarlos con los obtenidos en las tablas 1 y 2. Lo expresado en la literatura dice que cuando frotamos la varilla de vidrio con seda esta adquiere una carga positiva en exceso, ya que carga negativa se mueve desde la varilla hacía la seda, y al frotar la varilla de pvc con pelo esta obtiene una carga negativa. De acuerdo a esto la tabla 1 posee un error experimental ya que reporta que al frotar la tela con el vidrio este no posee carga y la literatura nos dice que si. Además, como consecuencia la tabla 2 nos dice que se debió realizar un enfrentamiento vidrio contra acrilico para comprobar si este posee la misma carga que el vidrio ya que de acuerdo a la tabla debería ser así, mientras que el primer resultado es anómalo y esto podría probarse comprobando las cargas del acrílico en el encuentro anteriormente nombrado . [5] Ahora, analizaremos la parte experimental realizada con el generador de Van Der Graaff. Primero se describirán detalladamente los elementos que hacen parte de este experimento y que se mencionaron anteriormente. En primer lugar, el generador de Van Der Graaff es un instrumento diseñado en un comienzo para realizar experimentos en el campo de la física nuclear. En la actualidad es uno de los aparatos principalmente usados para la demostración experimental de fenómenos electrostáticos. Éste consiste de un correa de material aislante sujeta a un motor que gira por dos poleas, una sujeta al motor y otra en la parte superior de la cúpula. Además, tenemos una pluma eléctrica que consiste en una ventosa con varias cintas en uno de sus extremos. La ventosa se posiciona en la parte superior de la cúpula del generador y cuando este se enciende, las cintas comienzan a levantarse separadas unas de otras creando un efecto de levitación. Esto sucede debido a que las cintas adquieren una carga negativa proveniente de la cúpula del generador que a su vez viene de la parte inferior del mismo, la cual es transportada por la cinta de material aislante que está en constante movimiento y transfiere la carga por medio de inducción a una varilla que a su vez la transporta al borde de la cúpula. Al final, es

transferida la carga negativa a las cintas las cuales se repelen de la cúpula, y por esta razón se mantienen “flotando”. Luego de esto tenemos una lámpara fluorescente la cual, al momento de acercarse al generador, se enciende, aunque no con mucha intensidad. Esto sucede debido al mismo efecto anterior. El generador transmite electrones hacia la lámpara, cuyos gases responden a esta carga con un aumento de temperatura generando luz. [6] Por último, tenemos un ventilador o molino electrostático. Cuando los electrones salen de la cúpula, entran en contacto a través del aire con las puntas del molino las cuales están continuamente cargadas y repelen a los electrones, creando así la fuerza suficiente que hace que las aspas giren. [7] Al finalizar las dos partes de la práctica y observar de qué trataba cada una, entendimos la diferencia entre materiales aislantes y conductores. El ejemplo para materiales conductores es la parte uno del experimento, donde los elementos fueron cargados por contacto y la carga de dio a causa del intercambio de electrones, mientras que el ejemplo para materiales aislantes es la parte dos del experimento, donde se carga se dio por inducción, o sea, sin contacto. 5. Conclusiones Mediante los resultados obtenidos en la práctica pudimos concluir que en un cuerpo existen dos cargas de diferente tipo: positivas y negativas, que a pesar de no poder identificar experimentalmente que tipo de carga posee cada cuerpo, si es posible ver si dos cuerpos poseen carga del mismo tipo o de tipo diferente por medio de la interacción entre ellos notando el si se atraen o se repelen. También pudimos comprobar que la conductividad eléctrica depende del material, ya que unos son muy malos conductores como el vidrio y la tela, pero otros muy buenos como el PVC y la piel sintética. Se identificó la diferencia entre materiales conductores y aislantes, notando que los conductores se cargan por contacto como el frotamiento y los aislantes por inducción. 6. Referencias bibliográficas

[1] Zemansky.(2009), Física Universitaria, México DF, México, pp. 504 [2] Zemansky.(2009), Física Universitaria, México DF, México, pp. 503 [3] Zemansky.(2009), Física Universitaria, México DF, México, pp. 505 [4] Serway,R.(2009), Física para ciencias e ingeniería con Física moderna, México DF, México: Cengage Learning, pp. 643 [5] Halliday, D, (2013), Fundamental of physics, Hoboken, United States: Wiley, pp 611 [6] Wabash Instrument Corporation. N-124 Electric Whirl. https://winsco.com/product/n-124-electric-whirl/ [7] Winsco Corporation. Van Der Graaff Generator. https://winsco.com/decli/wp-content/uploads/inst_n1 00e.pdf [8] Fernando Pino (2018). ¿Por qué los metales son buenos conductores de electricidad?. Retrieved from https://www.vix.com/es/btg/curiosidades/4053/por-q ue-los-metales-son-buenos-conductores-de-electricid ad...