Practica 1 carga electrica PDF

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Practica de taller de electricidad y magnetismo fesc...

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN Ingeniería Mecánica Eléctrica. REPORTE DE LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGENTISMO 1301 C Practica 1: “CARGA ELÉCTRICA” INTEGRANTES:

   

HERNÁNDEZ LARA OSCAR URIEL RAMÍREZ GUZMÁN LUIS ÁNGEL Zúñiga Colin Antonio Alberto Romero Olivares Víctor Raúl

OBJETIVOS GENERAL 

Identificar los diferentes tipos de carga eléctrica mediante experimentos que permitan observar sus efectos a nivel macroscópico, con la finalidad de conocer esta propiedad fundamental de la materia.

PARTICULARES  

Conocer las formas de cargar un cuerpo eléctricamente. Aplicar cargas eléctricas para producir un fenómeno electrostático.

INTRODUCCIÓN En la actualidad no se sabe qué es o por qué se origina dicha carga, lo que si se conoce es que la materia ordinaria se compone de átomos y estos a su vez se componen de otras partículas llamadas protones (p+) y electrones (e-). Los primeros se encuentran en lo que se denomina núcleo del átomo y los segundos, en lo que se denomina corteza, girando en torno al núcleo. Dado que se encuentran en la periferia, estos se fugan (se pierden) o ingresan (se ganan) con facilidad. Al igual que existen dos tipos de electrización (atractiva y repulsiva), existen dos tipos de carga (positiva y negativa). Los electrones poseen carga negativa y los protones positiva, aunque son idénticas en valor absoluto. Robert Millikan, en 1909 pudo medir el valor de dicha carga, simbolizado con la letra e, estableciendo que: e = 1.602 · 10-19 culombios

PROPIEDADES DE LA CARGA ELÉCTRICA 1. Dado que la materia se compone de protones y electrones, y su carga es e, podemos deducir

que la carga eléctrica es una magnitud cuantizada, o lo que es lo mismo, la carga eléctrica de cualquier cuerpo es siempre un múltiplo del valor de e. 2. En cualquier caso, la carga eléctrica de un cuerpo se dice que es: 

Negativa, cuando tiene más electrones que protones.

 

Positiva, cuando tiene menos electrones que protones. Neutra, cuando tiene igual número de electrones que de protones.

3. En cualquier fenómeno físico, la carga del sistema que estemos estudiando es idéntica antes y después de que ocurra el fenómeno físico, aunque se encuentre distribuida de otra forma. Esto constituye lo que se conoce como el principio de conservación de la carga: La carga ni se crea ni se destruye ya que su valor permanece constante. 4. Las cargas pueden circular libremente por la superficie de determinados cuerpos. Aquellos que permiten dicho movimiento reciben el nombre de conductores y aquellos que no lo permiten se denominan aislantes. 5. La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas, tal y como establece la ley de Coulomb, depende del inverso del cuadrado de la distancia que los separa. La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos , siendo, a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones. Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.

ELECTROSCOPIO DE LÁMINAS El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical 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.

NATURALEZA DE LA CARGA

La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta en dos tipos. Estas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas.6 Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teoría cuántica relativista, se pudo demostrar formalmente que las partículas, además de presentar carga eléctrica (sea nula o no), presentan un momento magnético intrínseco, denominado espín, que surge como consecuencia de aplicar la teoría de la relatividad especial a la mecánica cuántica.

LEY DE COULOMB “La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con las que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.”

TABLA TRIBOELÉCTRICA

Carga por contacto: En un principio frotamos el material de plástico con una tela de lana para cargar el material de plástico y lo pusimos en contacto con el electroscopio de lámina. Lo que sucedió fue que las lamias se adhirieron al alambre conductor debido a la carga. Esto consiste en cargar los cuerpos poniéndolo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán cargados con carga del mismo signo (+ o -). Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

Inducción de la carga: En este caso descargarnos el electroscopio, frotamos nuevamente los materiales y lo acercamos lentamente al electroscopio, pero esta vez sin hacer el contacto. En este caso sucedió lo mismo pero no atrajo con tanta fuerza las láminas. Esto se debe a que cuando un objeto adquiere carga debido al contacto con otro objeto, algunos de los electrones excedentes se transfieren de un objeto a otro, por lo que uno de ellos adquiere carga negativa y el otro adquiere carga positiva. Sin embargo, es posible utilizar un objeto para cargar otro objeto sin que haya transferencia de carga entre ellos. Este método se conoce como inducción de carga. Por ejemplo, en un sistema compuesto por dos esferas metálicas neutras en contacto, sujetas mediante soportes aislantes, al acercar una barra de plástico cargada negativamente a una de las esferas, sin tocarla, los electrones libres de las esferas metálicas son repelidos hacia un extremo de las esferas, alejados de la barra (ver figura 1). Dado que los electrones no escapan de las esferas, se acumulará un exceso de carga negativa sobre una de las superficies de las esferas, mientras la otra esfera tendrá una deficiencia de carga negativa, es decir, estará cargada positivamente y se dice que el sistema se ha polarizado y que las esferas han adquirido carga por inducción. Esta polarización de la carga se detiene hasta que se alcance una condición de equilibrio de fuerzas eléctricas en el interior de las esferas; estas fuerzas son debidas a la barra cargada y a las cargas inducidas.

Carga por Inducción: Una vez más descargamos el electroscopio, acercamos el cuerpo cargado al electroscopio de láminas y sin retirar cuerpo cargado lo pusimos en contacto con un extremo del cable al electroscopio y el otro extremo a tierra. Alejamos simultáneamente el cuerpo cargado y el extremo del cable de conexión que está al electroscopio de láminas. La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.

MATERIAL Y EQUIPO  Tela de seda

 Tubo de cloruro de Polivinilo (PVC) o regla.

 Electroscopio de láminas.

 Alambre conductor

DESARROLLO Formas de cargar un cuerpo eléctricamente (contacto, frotamiento e inducción) Carga por contacto 1-. Frote un material de plástico (regla, pluma de plástico o un tubo de PVC) con una prenda de lana, algodón, poliéster y/o algún otro material que se encuentre dentro de la tabla triboeléctrica, póngalo en contacto con el electroscopio de láminas.

Nota. Para lograr una transferencia máxima de carga, haga contacto con la parte que ha sido frotada.

Inducción de carga 2-. Descargue el electroscopio, frote nuevamente los materiales y acérquelo lentamente al electroscopio de láminas sin hacer contacto.

a) Explique qué sucede con las láminas del electroscopio en el paso 1 y 2. Justifique su respuesta. R= Las láminas se separan en ambos casos, ya que la regla se carga negativamente cuando se frota con el cabello, esta cuando la acercamos al conductor (alambre) dirige la carga para las láminas de aluminio, entonces las 2 quedan cargadas negativamente y se repelen .

Carga por inducción 3-. Descargue el electroscopio, frotar los materiales. 4-. Acerque el cuerpo cargado al electroscopio de láminas. 5-. Sin retirar cuerpo cargado toque con un extremo del cable al electroscopio y el otro extremo a tierra. 6-. Retire simultáneamente el cuerpo cargado y el extremo del cable de conexión que esta al electroscopio de láminas.

3

4

5

6

Nota. No acercar el material cargado no mas de 3 a 5 cm debido a que se produce ruptura de rigidez dieléctrica en el aire.

b) ¿Qué sucede con las láminas del electroscopio en el paso 6? R= Las laminas quedan cargadas gracias a la inducción transmitida por la regla, entonces cuando retiramos la tierra y la regla estas quedan cargadas negativamente y por lo tanto se repelen. c) Explicar las diferencias entre el procedimiento de los pasos 2 y 6. R= La diferencia es la tierra, es basicamente el mismo procedimiento solo que en el paso 6 se agrega una tierra esto permite que la carga permanezca aun cuando ya se le retiro la regla que le proporciono la carga, y en el paso 2 se le acerca la carga y solo en ese momento se puede presenciar que las laminas se repelen, pero una vez retirada la regla regresan a su posición inicial.

d) Mediante el uso de la tabla triboeléctrica deduzca si el electroscopio queda cargado positiva o negativamente en el paso 6 R= Positivo

Ley de Coulomb Realizar el desarrollo matemático de los siguientes ejercicios que a continuación se describe.

Ejercicio 1.

Ejercicio 2. Ejercicio 3.

Ejercicio 4.

CONCLUSIÓN (Oscar) Esta práctica nos ayuda mucho en nuestra formación como ingenieros, ya que probablemente cuando empecemos a desempeñarnos como ingenieros lo vamos a utilizar. La inducción de carga, la carga por inducción, contacto y frotamiento es algo que comúnmente se utiliza en la industria, por lo tanto, es muy importante aprender a identificar y diferenciar cada una de las maneras de cargar eléctricamente un cuerpo. Aprendí a diferenciar la inducción de carga y la carga por inducción, aunque es muy similar son diferentes, además creé un electroscopio que aprendí a construirlo, a utilizarlo y para saber su función la cual es el determinar si el objeto presenta una cara eléctrica, si la vara y las láminas de aluminio presentan la misma carga estas se separan, de lo contrario cuando tienen cargas distintas estas laminas permanecen juntas.

CONCLUSIÓN (Luis) Mediante esta práctica pudimos experimentar como funciona la ley de Coulomb, la cual nos dice que dos cuerpos se atraen si presentan signos contrarios y se repelen si presentan signos

iguales, el valor de dicha fuerza será proporcional al producto del valor de sus cargas. Aprendimos a cargar un objeto y después transferir esta carga a otro cuerpo, mediante la observación podemos saber si los objetos se atraen o se repelen. La tabla triboeléctrica nos ayuda a saber cuál cuerpo se carga positivamente y cuál negativamente, es muy importante saber esto, ya que es necesario para muchas aplicaciones de la electrostática.

CONCLUCION (Antonio) Con esta practica me quedo claro la importancia de la electrostática en la industria en general, conocí muchas de sus aplicaciones y como muchas de ellas facilitan las labores del día a día, además que la desempeñan de mejor manera que otros métodos. Creo que el saber la diferencia entre como cargar los cuerpos por los diferentes métodos aplicados en la practica es fundamental para nuestra formación como ingenieros, ya que, tal vez algún día en el ámbito laboral llegue a aplicar estos conocimientos.

CONCLUSIÓN(Víctor) Como la fuerza electrostática dada por la ley de Coulomb es conservativa, es posible discutir de manera conveniente los fenómenos electrostáticos en términos de una energía potencial eléctrica. Esta idea permite definir una cantidad escalar llamada potencial eléctrico. Debido a que el potencial es una función escalar de la posición, ofrece una manera más sencilla de describir los fenómenos electrostáticos que la que presenta el Campo Eléctrico. La carga eléctrica constituye una propiedad fundamental de la materia. En este trabajo demostramos y definimos que el tema de la electricidad ha sido investigado durante siglos y hasta en nuestros días ha demostrado notables avances en la ciencia pudiendo así crecer poco a poco su investigación abriendo puertas importantes a los físicos de hoy en día. Hoy por hoy podemos afirmar que la electricidad es una herramienta fundamental para poder subsistir en medio de este mundo con tantos avances tecnológicos que tienen a la electricidad como el motor indispensable para éstos. Además, nos dimos cuenta, y pudimos comprobar que la electricidad y las cargas eléctricas, no es un tema que este muy lejano de observar y ejemplificar puesto que se pueden obtener cargas eléctricas con tan solo frotar un trozo de PVC....