Laboratorio 1 Electroscopio PDF

Preview

Summary

Download Laboratorio 1 Electroscopio PDF

Description

UNIVERSIDAD DE LA SALLE DEPARTAMENTEO DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO FÍSICA II

Electrostatica Ricardo Alfonso Undaa, Cesar Augusto Perezb, Daniel Fernando Villotac. a

Ingenieria industrial 47151306 b Ingeniera Civil c Ingeniera Civil 40151227

Fecha práctica 2018-08-10; Fecha entrega de informe 2018-08-17

Resumen En la práctica de laboratorio realizada se observó la presencia experimental de dos cargas tanto positiva como negativa, estas a su vez permiten comprender la ley de coulomb que consiste en que las cargas del mismo signo se repelen y cargas de diferente signo se atraen. En el laboratorio se hicieron diferentes experimentos con el fin de comprender y analizar el tema anterior, todo esto por medio de la frotación como factor principal de obtención de carga eletrica, para esto fue necesario utilizar diferentes materiales los cuales se clasifican en; conductores (cobre, ebonita), materiales aisladores (madera), materiales dieléctricos (vidrio) y como instrumento fundamental el electroscopio. Palabras claves: Electroscopio, cable, dieléctrico, ebonita, aislante, vidrio Abstract Keywords: Cable, electroscope, dielectric, insulator, ebonite, glass.

1. Introducción Los fenómenos mencionados son 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, 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. Desde la antigüedad los fenómenos electrostácos 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. Podemos observar esos experimentos en el laboratorio de física mediante Un electroscopio que es un instrumento antiguo utilizado para detectar carga y medir potencial eléctrico. Si la esfera metálica de la parte superior se pone en contacto con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (láminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de un escala.

1 a

Ingeniería Industrial b,c Ingeniería Civil

2. Marco teórico Electroscopio es un instrumento que permite demostrar la presencia de cargas eléctricas y su signo. Un electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro muy delgadas. El funcionamiento de este es muy sencillo y depende de la carga del cuerpo que se vaya a emplear. Al referirnos, por ejemplo, de un cuerpo cargado negativamente ; al estar el electroscopio descargado, es decir, que tiene igual cantidad de cargas negativas como positivas (neutro); la laminilla de oro esta junto a la varilla metálica (figura 1). Cuando acercamos la barra frotada al electroscopio (sin tocarlo), las cargas se distribuyen, alejándose las cargas negativas que se acentúan en el inferior de la varilla metálica y en la laminilla, haciendo que ésta (laminilla) se separe (figura 2). Si mantenemos la barra frotada cerca del electroscopio y tocamos con un dedo la esfera del mismo, las cargas tanto de la varilla metálica como de la laminilla tratan de alejarse rápidamente de la barra cargada, yendo de este modo a tierra; y como consecuencia de esto, la varilla metálica y la laminilla de oro se vuelven a juntar (figura 3). Por último, al retirar la conexión a tierra y quitar la barra, las cargas de la esfera se alejan unas de las otras, lo que produce la separación de la laminilla de oro de la varilla metálica. Y por tanto, el electroscopio queda cargado con cargas de signo contrario al de la barra acercada (figura 4).

Figura No.1 Por otro lado, si se emplea un cuerpo cargado positivamente, se realizaría un proceso inverso al mencionado anteriormente, tal como se observa en la siguiente figura.

2

Figura No.2 Puede entonces afirmarse que por inducción, un cuerpo refleja cargas contrarias a las del cuerpo inductor. Los materiales debido a sus propiedades eléctricas, se pueden dividir en dos clases: los conductores y los aisladores o dieléctricos. Un material conductor es aquel en el cual la carga eléctrica se puede mover a través de él. En un conductor solido solo se pueden mover los electrones, pero si el conductor es líquido o es un gas se pueden mover tanto las cargas positivas como las negativas. Un material aislador o dieléctrico es aquel en el cual la carga eléctrica no se puede mover a través de él.

3. Procedimiento y montaje

Electroscopio Fuente: Autores

3

Barras de Vidrio Fuente: Autores

Barra ebonita Fuente: Autores

Barra ebonita cargada con atracción de papel Fuente: Autores

Barra de vidrio cargada con atraccion de papel Fuente: Autores

4

Materiales de paño y seda y otros tipos de tela Fuente: Autores

Material para frotacion Fuente: Autores

Montaje union por pita a los electroscopios Fuente: Autores

5

Montaje de unión con cable de cobre para los electroscopios. Fuente: Autores

Para esta práctica fue necesario el uso de diferentes materiales como: -

Electroscopio Barras de ebonita Barra de vidrio Diferentes tipos de tela como seda y paño Cuerda de nylon

Con estos materiales se realizaron los experimentos que permitieron deducir la existencia e interacción de las cargas.

1. Inicialemente se froto la barra de ebonita contra un pedazo de lana y luego se acerco aunos trozos de papel. 2. Se repitió el procedimiento anterior, pero se remplazo la barra de ebonita por una barra de vidrio. 3. Nuevamente se froto la barra de ebonita con un pedazo de lana y se acerco a la esfera del electroscopio sin tocarla. 4. Se repitió el procedimiento 3 e igualmente se reemplazó la barra de ebonita por la barra de vidrio. 5. Después de lo anterior se procedió a cargar el electroscopio por contacto con una barra de ebonita luego se tocó la esfera con un dedo para hacer un contacto a tierra.

6

Figura No.3 6. Se realizo el procedimiento 5 con la barra de vidrio. 7. Inmediantamente se cargó el electroscopio por contacto con una barra de ebonita y luego se le acerco una barra de vidrio sin tocar la esfera 8. Se volvió hacer el experimento No.7 pero intercambiando la barra de vidrio por la barra de ebonita. 9. Se repitió el experimento No. 7 pero ahora se cargo el electroscopio con una barra de vidrio. 10. Se repitió experiemnto No. 9 pero se reemplazo la segunda barra de vidrio pr una barra de ebonita. 11. Luego de esto se cargo el electroscopio por inducción con la barra de ebonita cargada y sin retirar la barra se hizo un contacto a tierra para luego retirar el contacto y posteriormente la barra. 12. Se hizo el mismo experimento, pero cambiando la barra de ebonita por una de vidrio y retirando primero la barra y luego, el contacto a tierra. 13. Se procedió la utilización de un alambre de cobre para unir los dos electroscopios y cargada previamente la barra de ebonita acercarla a uno de los electroscopios. 14. Nuevamente se realizó el paso anterior pero ahora se acerco a una posición media del alambre. 15. Luego se cambio el alambre por una cuerda 16. Para finalizar se cambió la cuerda una regla de madera.

4. Procesamiento de datos 1. Lo que se pudo observar en el primer experimento fue que: luego de frotar las barras de ebonita y de vidrio con un trozo de lana y acercar las barras pequeños trozos de papel, los 7

papelitos empiezan a moverse en dirección de la barra, queriendo pegarse. Esto debido a los desbalances de carga, los cuales generan que los cuerpos con una carga es estado neutro, reciban carga eléctrica por frotamiento. Al ser frotada la barra de ebonita (carga negativa) en el pedazo de lana (carga positiva), existe un traspaso de electrones desde la barra de ebonita hacia la lana. La barra queda con mayor carga positiva haciendo que los pedacitos de papeles (carga eléctrica neutra, es decir, igual cantidad de cargas negativas que positivas), reorganicen sus electrones al acercar el objeto (barra de ebonita) cargado positivamente. Con el vidrio (carga positiva) la barra tambien sede electrones a la seda, por tanto, se presenta el mismo fenómeno. (punto 4) 2. En el primer montaje en el que se debe acercar la barra de ebonita a la esfera metálica del electroscopio se observa que las láminas se separan y cuando se retira la barra ellas vuelvan al estado en que se encontraban. Esto se debe a que la barra se encuentra cargada negativamente y al acercarla al electroscopio los protones tienden a aproximarse al objeto que se les acerca, esto se debe a la (fuerza de atracción) por ser de diferentes signos y los electrones se dirigen a las láminas por la (fuerza de repulción), por ultimo vuelven a su estado normal porque no se está ejerciendo ninguna fuerza sobre ellas.

3. Al realizar el paso numero dos; donde se toca la esfera metálica con la barra de ebonita cargada negativamente (carga por contacto) se obtuvo que las laminas se abren y al retirarla vuelven a su estado normal como el experimento anterior.

8

5. Al reemplazar la barra de ebonita por la de vidrio y hacer el paso No.1 y 2 ocurre lo mismo solo que en la barra de vidrio queda cargada positivamente (defecto de electrones) cuando se acerca al electroscopio al contrario que el anterior las positivas son las que se alejan hacia las láminas por efecto de la repulsión de fuerzas y el electroscopio queda cargado positivamente.

6. Asimismo, al tocar la esfera metálica del electroscopio con la barra de vidrio previamente cargada (carga por contacto), nuevamente las láminas de oro cargan positivamente y por efecto de las fuerzas de repulsión se repelen, en este caso se dice que hay una transferencia de electrones, quedando el electroscopio con carga positiva (defecto de electrones).

7. En el procedimiento anterior al cargar el electroscopio con la barra de ebonita este queda cargado negativamente, y al hacer contacto a tierra con el dedo se produce una descarga de electrones a traves de la mano hacia la tierra esto se debe a que el cuerpo humano es un gran 9

conductor, lo que causa que las lamina se cierren nuevamente y que el electroscopio adquiera una carga neutra con igual número de protones y electrones.

8. Realizando el mismo procedimiento con la barra de vidrio y como ya se demostró que con el vidrio el electroscopio queda cargado positivamente, al realizar el contacto a tierra se transfieren electrones de la tierra a traves del cuerpo hacia el electroscopio lo que compensa el defecto de electrones quedando en un estado neutro causando que las láminas se vuelvan a unir.

9. Al realizar la carga por contacto el electroscopio con la barra de ebonita y luego acercando la barra de vidrio, se observa que inicialmente el electroscopio se carga, pero al acercar la de vidrio se observa que las láminas no se mueven casi debido a la fuerza de repulsion, porque hay un numero mayor de electrones que protones. Al realizar un polo a tierra y acercando nuevamente la barra de ebonita las cargas negativas escapan a tierra manteniendo un estado neutro en las láminas, al retirarle el contacto a tierra las láminas vuelven a cargarse lo que causa la separación de estas quedando el electroscopio cargado negativamente. 10

10. Al realizar la carga por contacto el electroscopio con la barra de ebonita y luego acercando otra barra de ebonita, se observa que inicialmente el electroscopio se carga y genera apertura de las laminas con una de las barras, al acercar la segunda barra el fenómeno se incrementa, o sea las laminas se abren mas, esto sucede por que las barras de ebonita transfieren el mismo tipo de carga 11. Al efectuar contacto con la barra de vidrio se observa que las láminas se abren, al realizar un polo a tierra se cierran, al quitar el polo siguen cerradas y al quitar el contacto se evidencia el mismo resultado; esto evidencia que el polo a tierra descargo la barra de vidrio y traspaso electrones de la tierra al electroscopio lo cual dejo las láminas cerradas.

12. Al realizar el procedimiento con la barra de ebonita retirando primero la barra y luego realizar el polo a tierra se observa que el electroscopio quedara con carga negativa, dado que fue descargado por el polo a tierra las láminas siguen cerradas.

11

Al acercar la barra de vidrio al electroscopio se observa que sucede lo mismo que el paso No.3 pero cuando se hace contacto a tierra el electroscopio queda cargado positivamente ya que sus electrones se dirigen hacia la tierra.

Materiales Conductores, Semiconductores y aislantes 14.15 Al unir dos electroscopios por medio de un alambre de cobre y acercando la barra de ebonita a uno de ellos se observa que las cargas negativas se trasfieren de un electroscopio a otro por medio del alambre de cobre causando que las láminas de ambos electroscopios se abran, demostrando así la alta conductividad del metal, así mismo al acercar la barra de ebonita al centro del alambre se produce el mismo efecto.

12

16. Realizando el mismo montaje del punto anterior, pero colocando en los electroscopios un hilo de pita se observa que las láminas se separan muy poco lo que comprueba que el hilo de pita es un material semiconductor.

17. Finalmente, en el montaje realizado con la madera no se observa ninguna reacción en las láminas por lo tanto se comprobó que la madera es un material aislante.

5. Análisis y conclusiones 

En la practica se pudo evidenciar la facilidad que tienen los cuerpos para ganar o perder electrones por medio de frotamiento, asi como tambien la facilidad de transferencia de carga hacia otros cuerpos que pueden estar en reposo, por medio de frotamiento, contacto o inducción. 13



Al hacer la observación y la investigación se puede entender el comportamiento que tienen los materiales cuando poseen deteminada carga, generando fuerzas, ya sea de repulsión o de tracción.



Cuando se realiza un polo a tierra a un electroscopio cargado se produce una descarga electrones debido a la fuerte atracción que siente las cargas, esta descarga puede trasferir electrones o escapar a traves del cuerpo humano hacia la tierra, ya que esta es un gran sumidero de electrones.



Para que un cuerpo adquiera una carga eléctrica no solo depende de sus propiedades, sino también en las características del ambiente donde se encuentre este cuerpo, además del tipo de material y de la facilidad con la que se carga.



Al utilizar en un montaje la madera y acercar una barra cargada se observa que los electroscopios no responden a la carga de las barras los que comprueba que la madera no es un excelente conductor.

6. Referencias [1]. Física,

Wilson Buffa, Fuerxas eléctricas, quinta edición, mexico, 2007 http://books.google.com.co/books? id=KFEvYPsc5IMC&pg=PA519&dq=electroscopio&hl=es&sa=X&ei=x0f8Ub6JEIXq9ASjk4DwD w&ved=0CCwQ6AEwAA#v=onepage&q=electroscopio&f=false, consultado el 02 de agosto 2013 [2]. Serway R. Física para Ciencias e Ingeneiría, Vol. 1, Septi-ma Edición, Cengage Learning Editores, Mexico, 2008. Consultado el 31 de julio 2013 [3]. Tipos de carga, anónimo, http://www.physicstutorials.org consultada el 31 de julio 2013 [4]. carga de electroscopio por inducción, I, Q Miguel Aristizabal Martinez , http://ludifisica.medellin.unal.edu.co, consultado el 02 de agosto de 2013

14...