laboratorio de electrostatica
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UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA
FISICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 8108884 GRUPO 3-0
LABORATORIO N° 1: ELECTROSTATICA
LINA MARIA ALBARRACIN LEON
201310222
DIEGO FERNANDO RIVERA CASTRO
201311955
DIANA PAOLA SANABRIA CHAPARRO
201422362
LILIANA CONSTANZA SANCHEZ TRIANA
201023411
FISICO PAOLA FONSECA
SOGAMOSO
MARZO DE 2016
1. RESUMEN
En el presente informe de laboratorio se analiza las formas de cargar un cuerpo
eléctricamente, describiendo la experiencia del laboratorio y explicando el
fenómeno físico que da luagar, además se explica el funcionamiento de aparatos
electrostáticos como el generador de Van der Graff y el electroscopio.
2. INTRODUCCION
Todos los días nos enfrentamos a fenómenos electrostáticos, que son parte de la
naturaleza misma, los aparatos eléctricos y electrónicos de los cuales hoy
disfrutamos, remontan sus orígenes en el estudio de los fenómenos
electrostáticos, la curiosidad de hombres como William Gilbret, Michael Faraday,
Pierter Von Musschenbroek, Nikola Tesla por citar algunos basaron sus estudios
en el estudio del átomo y como allí se generan los fenómenos eléctricos y como a
través de su estudio este flujo de electrones puede ser controlado , el estudio de la
naturaleza de las cargas (Positivas y negativas) y la manera de cargar
eléctricamente los cuerpos, permitió el avance de la ciencia eléctrica y electrónica.
3. OBJETIVOS
GENERAL:
Entender la naturaleza de los fenómenos electrostáticos.
ESPECIFICOS:
Elaborar una descripción teórica de conceptos electrostáticos y de los
aparatos no comunes usados en el laboratorio.
Analizar y diferenciar las formas de generar cargas eléctricas por
conducción e inducción.
Conocer la razón de la repulsión y atracción de las cargas.
Distinguir entre los materiales conductores y aislantes.
4. MARCO TEORICO.
Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas y plasma se compone de átomos neutros o ionizados. Los átomos son muy pequeños; los tamaños típicos son alrededor de 100 pm (diez mil millonésima parte de un metro). No obstante, los átomos no tienen límites bien definidos y hay diferentes formas de definir su tamaño que dan valores diferentes pero cercanos. Los átomos son lo suficientemente pequeños para que la física clásica dé resultados notablemente incorrectos. A través del desarrollo de la física, los modelos atómicos han incorporado principios cuánticos para explicar y predecir mejor su comportamiento.
Cada átomo se compone de un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El
núcleo está compuesto de uno o más protones y típicamente un número similar
de neutrones (ninguno en el hidrógeno-1). Los protones y los neutrones son
llamados nucleones. Más del 99,94 % de la masa del átomo está en el núcleo. Los
protones tienen una carga eléctrica positiva, los electrones tienen una carga
eléctrica negativa y los neutrones tienen ambas cargas eléctricas, haciéndolos
neutros. Si el número de protones y electrones son iguales, ese átomo es
eléctricamente neutro. Si un átomo tiene más o menos electrones que protones,
entonces tiene una carga global negativa o positiva, respectivamente, y se
denomina ion.
INDUCCIÒN: La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae
los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el
segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza
atractiva entre los objetos.
.
CONDUCCIÓN: Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que
comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado.
Considérese una esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislante. Al
acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se
encuentran en la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de ésta; como
resultado, el lado lejano de la esfera se carga negativamente y el cercano queda
con carga positiva. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de
atracción entre el lado cercano de aquélla y la propia varilla es mayor que la de
repulsión entre el lado lejano y la varilla.
FRICCIÒN: En la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque
la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más
internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero
los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden
desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el
átomo varia de una sustancia a otra.
LEY DE COULOMB: Las interacciones atracción, repulsión entre cargas eléctricas son directamente proporcionales al producto de estas, e inversamente proporcionales al cuadrado de la dirección de la fuerza. Coulomb demostró que la cantidad de carga podía relacionarse con fuerza. De esta manera, le fue posible definir una cantidad estándar de carga en términos de la cantidad se fuerza que produce.
5. EQUIPO Y MATERIALES.
EL ELECTROSCOPIO: es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo
está cargado eléctricamente. El electroscopio consiste en una varilla metálica
vertical de vidrio 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.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse
el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas
se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que
el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen
signos opuestos.
GENERADOR DE VAN DER GRAFF: es una máquina electrostática que utiliza una
cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de
una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un
generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los cinco mega
voltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos
X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.
MATERIALES
Barra de vidrio Barra de ebonita Lamina de madera y metal Troza de paño, lana, seda. Troza de papel Base soporte Bolas de icopor Hilo Aguja Papel aluminio Vela, fosforera.
6. PROCEDIMIENTO
Alistamiento de materiales (el electroscopio de laboratorio presentaba fallas,
en su lugar se usó el electroscopio experimental fabricado).
Se instaló el electroscopio experimental con las bolas de icopor (forradas de
papel aluminio) colgadas con hilo.
a) Producción de carga por frotamiento:
Se carga la barra de ebonita (en este caso es de plástico) y la de vidrio
por medio de frotamiento con la seda, cuando la barra está cargada
eléctricamente, se carga el electroscopio por medio de inducción y por
conducción.
Este procedimiento se repite con el paño y lana.
Se observa lo que ocurre.
b) Generador de Van der Graff y las barras:
Con el generador de Van der Graff cargado se repite el proceso a).
frotando la barra de ebonita y la barra de vidrio con los tres materiales
(seda, paño, lana).
Acercar la barra de ebonita y la barra de vidrio al generador de Van der
Graff.
Se observa que sucede.
c) Conductores:
Coloca el electroscopio (electroscopio experimental) cerca del generador
de Van der Graff, sin barrera y se observa lo que pasa.
Enseguida se coloca la primera barrera, una lámina de vidrio de tal modo
que aun lado de la lámina quede el generador y del otro se le acerca el
electroscopio, se observa lo que sucede.
Se coloca una segunda barrera una lámina de madera, de la misma forma
que la primera barrera, se acerca el electroscopio y se observa.
Estos últimos procesos se repiten con la lámina de cobre, lamina de
aluminio y una lámina de icopor.
d) Generador de Van der Graff:
Con el generador cargado se acerca una vela encendida y luego una
aguja colgada de un hilo y se observa lo que pasa.
Se colocan trozos de papel con el generador de Van der Graff apagado y
luego se prende, observa lo que sucede, luego cuando el generador está
cargado acerca más trozos de papel y observa lo que sucede.
Acerque la mano al generador (sin tocarlo) observe y sienta lo que
sucede.
Por ultimo acerca una esfera aislada, cuando el generador este cargado,
observe lo que pasa.
7. TABLA U HOJAS DE DATOS
Para el caso de este laboratorio no hubo toma de dato experimentales, sino la
observación de los fenómenos físicos que los cuales tuvieron lugar en el
laboratorio.
8. PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES
Hacemos esto a través del cuestionario propuesto.
1. ¿En cualquier parte de la naturaleza podemos encontrar cargas positivas y cargas negativas? ¿Por qué razón solo hay cargas positivas y negativas? Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos de electrones, protones y neutrones. En muchos casos la cantidad de protones y electrones no es la misma (el cuerpo no está equilibrado eléctricamente). En el caso de que un cuerpo tenga más electrones que protones se dice que está cargado negativamente y si tiene más protones que electrones se dice que está cargado positivamente.
2. Defina un cuerpo eléctricamente neutro.
Se puede decir que un cuerpo es eléctricamente neutro cuando hay un equilibrio de carga positiva y negativa. De esta manera no se aleja ni se acerca de una carga positiva.
3. ¿Cuándo un cuerpo se dice que está electrizado? Un cuerpo electrizado es un cuerpo que ha ganado o perdido electrones. Electrizado se refiere a la carga eléctrica, es decir que no importa si la carga es positiva o negativa. La electrización en un cuerpo se puede dar por conducción, fricción e inducción.
4. ¿Las cargas iguales se repelen y las cargas diferentes se atraen? ¿Qué ley es?
Explique.
El físico Francés Charles A. Coulomb (1736-1806) en 1785, por medio de una
balanza de torsión inventada por él, logró establecer que entre dos cuerpos
cargados eléctricamente se ejercía una fuerza que seguía una ley parecida a la
de Newton referente a la ley de gravitación universal, aunque con dos
importantes diferencias:
• La fuerza eléctrica (o de Coulomb) puede ser repulsiva.
• La fuerza eléctrica entre dos cuerpos disminuye si se interpone un tercer
cuerpo (lo que no sucede a la fuerza de Newton).
El enunciado de la Ley de Coulomb es el siguiente:
La fuerza que ejercen entre sí dos cuerpos cargados eléctricamente, es
directamente proporcional al producto de sus masas eléctricas o cargas, e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. Tal fuerza
se aplica en los respectivos centros de las cargas y están dirigidas a lo largo de
la línea que las une.
5. ¿Las cargas ejercen entre sí unas fuerzas eléctricas que son mayores a las
producidas por la gravedad? Demuestre.
Comparación entre la Ley de Coulomb y la Ley de la Gravitación Universal
LEY DE COULOMB LEY DE GRAVITACION UNIVERSAL
La fuerza eléctrica entre dos cuerpos MACROSCÓPICOS es
muy pequeña o cero. Sus efectos son más evidentes sobre los pequeños cuerpos: átomos
La fuerza gravitacional entre dos cuerpos MACROSCÓPICOS es muy grande. Sus efectos son más evidentes sobre los grandes cuerpos: planetas, estrellas y galaxias.
La ley de Coulomb establece que la fuerza de atracción entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa
La ley de la gravitación universal establece que la fuerza de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa
𝐹𝐸 = 𝐾𝑞1 𝑞2
𝑟2 Ley de Coulomb 𝐹𝐺 = 𝐺𝑚1 𝑚2
𝑟2 Ley de la gravitación universal
La constante de coulomb es: La constante de gravitación universal es:
𝐾 = 9𝑥 109 𝑁 𝑚2/𝐶2 𝐺 = 6.67𝑥10−11 𝑁 𝑚2/𝐾𝑔2
Las cargas de los cuerpos en cuestión son q1 y q2
Las masas de los cuerpos en cuestión son m1 y m2
La carga del electrón es -1.6E-19 ó -1.6*10-19 coulombios.
La masa del electrón es 9.11E-31 ó 9.11*10-
31 kg
La carga del protón es +1.6E-19 ó +1.6*10-19 coulombios
La masa del protón es 1.67E-27 ó 1.67*10-27
Kg
La distancia entre los centros de las cargas es r.
La distancia entre los centros de las masas es r.
La separación promedio r entre el electrón y el protón es de 5.3E-11 ó 5.3*10-11 m.
La separación promedio r entre el electrón y el protón es de 5.3E-11 ó 5.3*10-11 m.
𝐹𝐸 = 𝐾𝑞1 𝑞2
𝑟2 𝐹𝐺 = 𝐺
𝑚1 𝑚2
𝑟2
8,2 𝑥 10−8 𝑁 3,6 𝑥 10−47 𝑁
La fuerza eléctrica es más fuerte a nivel atómico que la fuerza gravitacional.
La fuerza gravitacional muy débil a nivel atómico.
Se observa que la fuerza eléctrica es 39 órdenes de magnitud más grande que la fuerza de gravedad, a nivel atómico.
6. ¿Una barra siempre adquirirá el mismo tipo de carga cuando esta se frota
con un excitador cualquiera?
Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana,
se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de
seda. Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o
trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es
equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar
electrizadas se repelen entre sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas
sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio
y viceversa.
Al frotar la barra de vidrio con el paño de seda, se observa que tanto una como
otra se electrizan ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un
tercer cuerpo cargado. Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la
barra con el paño de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior.
Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto paño-barra
se comporta como si no lo estuvieran, manteniendo una neutralidad eléctrica.
7. ¿Los metales son buenos conductores? ¿Las cerámicas son buenos
conductores?. Explique su respuesta.
Los mejores conductores de la corriente eléctrica son los metales, porque ceden más fácil que otros materiales los electrones que giran en la última órbita de sus átomos (la más alejada del núcleo). Sin embargo, no todos los metales son buenos conductores, pues existen otros que, por el contrario, ofrecen gran resistencia al paso de la corriente y por ello se emplean como resistencia eléctrica. El más utilizado de todos los metales es el cobre (Cu), por ser relativamente barato y buen conductor de la electricidad, al igual que el aluminio (Al).
Los malos conductores materiales aislantes, cuyos átomos ni ceden ni captan electrones. Entre esos materiales se encuentran el plástico, la mica, el vidrio, la goma, la cerámica, etc. Todos esos materiales y otros similares con iguales propiedades, oponen total resistencia al paso de la corriente eléctrica.
8.
La unidad de medida para la cantidad de carga es el Coulomb (C), ¿Qué es
un Coulomb?, explique, a que equivale numéricamente. Defina: electrón,
protón, neutrón, partícula alfa, ¿cuál es su carga?
El coulomb (C) es la unidad derivada del sistema internacional para la medida de la magnitud física cantidad de electricidad. Nombrada en honor del físico francés Charles-Augustin de Coulomb. Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.
El culombio puede ser negativo o positivo. El culombio negativo equivale a 6,241 509 629 152 650×1018 veces la carga de un electrón. El culombio positivo se obtiene de tener un defecto de electrones alrededor a 6,241 509 629 152 650×1018, o una acumulación equivalente de cargas positivas.
Electrón Se encuentra en la corteza. Su masa aproximadamente es de 9,1×10-31 kg. Tiene carga eléctrica negativa (-1.602×10-19 C).
Protón Se encuentra en el núcleo. Su masa es de 1,6×10-27 kg. Tiene carga positiva igual en magnitud a la carga del electrón. El número atómico de un elemento indica el número de protones que tiene en el núcleo. Por ejemplo el núcleo del átomo de hidrógeno contiene un único protón, por lo que su número atómico (Z) es 1.
Neutrón Se encuentra en el núcleo. Su masa es casi igual que la del protón. No posee carga eléctrica.
Las partículas (α) son núcleos completamente ionizados, es decir, sin su envoltura de electrones correspondiente, de helio-4 (4He). Estos núcleos están formados por dos protones y dos neutrones. Al carecer de electrones, su carga eléctrica es positiva (+2qe), mientras que su masa es de 4 uma.
9. Consulte el funcionamiento del electroscopio y del generador de Van der Graff.
Generador de van der graff Es un aparato el cual es utilizado para crear voltajes muy altos. Este aparato está basado en los fenómenos de carga por inducción y contacto. Su primera aparición fue en el año 1931 el cual fue construido por el físico
Robert J. Van Der Graff y se ha mantenido
El generador está constituido de:
· Una esfera metálica hueca
· Una correa transportadora
· Dos rodillos uno que es movido por un motor y uno que gira libre movido
por la correa
· Dos peines metálico, uno pegado a las tierra y el otro en el interior de la
esfera
· Un motor eléctrico que moverá uno de los rodillos mencionado
anteriormente
El generador funciona así: Los peines metálicos se encargan de ionizar el
aire con ayuda del rodillo que es impulsado por el motor, de la siguiente
manera: el rodillo está cargado positivamente, este produce cargas eléctricas
contrarias a las suyas que van a la punta de los peines metálicos, el aire es
así ionizado volviéndolo conductor, estos electrones golpean otras moléculas
las ionizan y son repelidas depositándose así en la correa y luego son
transportadas, hasta llegar a la parte interna de la esfera metálica.
El rodillo de la parte superior está diseñado de un material que se carga
negativamente por el contacto con la correa, este rodillo repele los electrones
que son transportados por la parte exterior de la correa y estos electrones
son conducidos a la punta de los peine, las puntas del peine se vuelven
positivas y las cargas negativas van hacia la parte interna de la esfera
metálica.
La efectividad del generador depende de los materiales de los rodillos y la
correa, este puede lograr producir cargas altas si el rodillo de la parte superior
obtiene grandes cargas negativamente e induce al peine cargas positivas
que ocasionan que las cargas negativas del peine se vallan al otro lado del
peine es decir a la parte interior de la esfera.
Este generador está basado en unos principios de la física como lo son: la
Inducción de carga, Electrización por frotamiento y triboelectricidad, una de
las explicaciones del físico Faraday de la transmisión de cargas a una esfera
hueca.
El electroscopio: Este es un aparato el cual reconoce la presencia de cargas eléctricas y expresa su signos. Existe un electroscopio sencillo el cual funciona así: una varilla metálica la cual tiene una esfera en la parte superior y al otro lado de la varilla un par de láminas de oro muy delgadas; la parte superior de la varilla se encuentra sostenida por una caja de vidrio. Al momento de acercar a la esfera un objeto cargado la varilla es electrificada y las láminas de oro que se encuentran al otro lado de la varilla cargadas con el mismo signo se repelen, la discrepancia de las láminas dependerá de la cantidad de carga que haya recibido en la parte superior de la varilla por la esfera, a medida que se aleja el objeto de la esfera las láminas vana regresando a su posición normal
El primer electroscopio apareció gracias a él medico William Gilbert quien lo
creo con el objetivo de realizar experimentos con cargas electrostáticas, con
el tiempo se han creado equipos o aparatos con mejora en base a este.
El electroscopio se basa en el principio de separación de cargas por
inducción
9. DISCUSION Y ANALISIS DE DATOS EXPERIMENTALES
Pudimos observar que al frotar tanto la barra de ebonita y la de vidrio con los
diferentes materiales, estas quedaban cargadas eléctricamente, lo que se pudo
comprobar al acercarlas al electroscopio de péndulo, ya que el electroscopio
convencional no funcionó.
Se pudo observar que siempre que se acerca tanto la varilla de plástico como la
de vidrio, estas atraían las bolitas del electroscopio de péndulo.
Vimos que la lana era la que más atraía.
Cuando acercamos el electroscopio, para cargarlo por inducción al generador de
vander graff, las bolitas eran repelidas.
Cuando se ponía una barrera de vidrio algo se movían las bolitas
Con barreras e icopor, madera y plástico no se movían.
Cuando dejamos trozos de papel sobre le generador al prenderlo, estos salían
repelidos.
Al acercar una vela prendida, la llama se deformaba al acércala al generador de
vander graff.
Al acercar la mano, se producción corrientazos a através del cuerpo.
Al acercar la bola aislada, se producían chispas.
10. CONCLUSIONES
Los cuerpos que están neutros, al ser excitados, por frotamiento, por
ejemplo adquieren carga, como el caso de la varilla de plástico que se
carga negativamente y la del plástico, positivamente.
Para generar carga por contacto es necesario tocar el elemento, por
inducción, basta con acercarlos.
Al tocar el generador con la mano, este nos produce corrientazos, ya
que el generador en su superficie, esta cargado positivamente y nuestro
cuerpo funciona como tierra, al tocarlo, este quede por un momento
descargado.
La naturaleza de las cargas eléctricas se debe a la estructura
electrónica de cada material que define su comportamiento eléctrico, al
cargar un cuerpo, este repelerá a cuerpos cargados igualmente como el
caso de las varillas de vidrio entre si y atraerá a las que queden
cargados con cargas opuestas como el vidrio con el plástico.
El generador de vander graff genera carga por frotamiento y la trasmite
por inducción o repulsión, por eso al acercar cuerpos cargados
positivamente, estos eran repelidos.
El efecto de que el generador deformara la llama de la vela se conoce
como viento eléctrico y se debe a que la carga presente en el generador
intenta escaparse ante la presencia de la energía de la llama de la vela.