ELECTROSTATICA

I OBJETIVOS

Realizar experimentos en los cuales estudiemos el fenómeno de transferencia de carga.

II FUNDAMENTO TEORICO Los fenómenos de naturaleza electrostática conocidos durante la antigüedad consistían en su mayor parte en fuerzas resultantes de atracción o repulsión entre un cuerpo con respecto a otros, luego que uno de ellos entre en contacto entre si o sean frotados.EJM: Al frotar ámbar, (elektron en griego), con piel de animal este puede atraer pedacitos de papel o cabello. · Estas fuerzas se producen como resultado de atracción entre cargas de signo opuesto,o de repulsión entre cargas de signos iguales.

· Un cuerpo se carga como resultado de un proceso de transferencia de carga en el cual esta se distribuye de manera diferente a la que estuvo inicialmente.

· Durante el proceso anterior siempre se cumple que la suma algebraica de cargas en un sistema aislado es la misma en todo momento, este es el principio de conservación de la carga .

· Además las cargas que se transfieren comúnmente son electrones, así se puede decir que un cuerpo cargado positivamente tiene defecto de electrones y un cuerpo cargado negativamente tiene exceso de electrones .

· También hay que mencionar que la carga es una propiedad inherente de la materia,y que cualquier cuerpo puede ser cargado por alguna de las siguientes tres formas de electrización:

1.-ELECTRIZACION POR CONTACTO.-(entre conductores) Cuando un cuerpo cargado se acerca a un cuerpo neutro conductor las cargas se distribuyen entre ambos (véase anexos: 1.1) ,

2.-ELECTRIZACION POR ROZAMIENTO O FROTAMIENTO.- Se debe a la interacción entre el cuerpo que es frotado y el cuerpo que lo frota .Aquí. se intercambian electrones. EJM: el experimento con ámbar citado al inicio de la sección . (vease anexos :1.2).

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3.-ELECTRIZACION POR INDUCCION.- Cuando un cuerpo cargado es acercado hacia un cuerpo neutro, este produce perturbaciones en los átomos neutros del segundo. Si el cuerpo es no conductor se produce un efecto de polarizacion entre sus moléculas, Esto debido al efecto creado por el inductor . Si el cuerpo es conductor, el inductor produce un desplazamiento de electrones dentro de el , de tal forma que si la carga del inductor es positiva en el extremo del conductor mas cercano a el inductor, se acumularan carga negativa en el extremo mas cercano y positiva en el extremo mas lejano (véase anexos :1.3)

En este proceso el cuerpo no cambia de carga total , pero si es conectado a tierra , (véase anexos : 1.4) , esta proveerá de electrones en defecto o será el escape de electrones en exceso , con lo cual el cuerpo queda cargado .

Para poder detectar si un cuerpo esta cargado o no , se usa el dispositivo llamado ELECTROSCOPIO , el cual consiste en una esferita conductora conectada a dos laminillas metálicas , cuando no se detecta carga las laminillas permanecen juntas , pero al acercarse un cuerpo cargado la carga de un signo se desplaza hacia la esferita , esto deja con carga del mismo signo a las laminillas lo cual hace que estas se separen (véase anexos :1.5) .

III EQUIPO EXPERIMENTAL

1.- Varillas de vidrio ebonita y acrilico .2.- Laminas de acrilico .3.- Diferentes paños (franela , lana y seda ) .4.- Electroscopio .5.- Electroforo de Volta .6.- Jaula de Faraday .7.- Generador Van Der Graaff .8.- Maquina de Whinshurt .9.- soporte con tiras de seda (plumero). 10.-Vela y fósforos.11.-Electrodos con extremos con punta y sin punta .

IV PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Experimento Nº 1 : Determinación de la carga en un objeto mediante el uso del electroscopio.

4.1.a.- La varilla se acerco a la esfera del electroscopio y luego se pusieron en contacto .

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4.1.b.- Luego se froto la varilla de vidrio con franela y ahora se acerco nuevamente al electroscopio, y luego se tocaron otra vez .4.1.c.- Esta experiencia se repitio con las varas de ebonita y acrilico frotándolas con seda y franela respectivamente .

Experimento Nº 2 : Electróforo de Volta .

4.2.a.- Con una franela se froto fuertemente la placa de acrilico .4.2.b.- Luego se coloco el disco de metal sobre la placa mediante el mango aislante .4.2.d.- Se levanto el disco des pues de un tiempo y se acerco al electroscopio . Se anoto lo observado .

Experimento Nº 3 : Maquina de Wimshurt (MW) .

4.3.a.-Primero descargamos los electrodos de la MW jumtandolos hasta ponerlos en contacto .4.3.b.-Luego hicimos girar la manivela rapidamente para observar lo que ocurria entre las esferas de los electrodos .4.3.c.- Ahora con la bola de prueba previamente descargada se toco uno de los electrodos de la MW y luego la acercamos al electroscopio para comprobar la presencia de carga .

Experimento Nº 4 : Generador Van Der Graaff .

4.4.a.-Se encendio el generador y se acerco la bola de prueba tocandola por el mango aislante , previamente descargada .4.4.b.- Luego se acerco la bola a un electroscopio .4.4.c.- Se tomo un plumero con tiras de papel y se le acerco al generador , tambien se acerco un electroscopio al generador . 4.4.d.- Sobre el generador se coloco un molinillo formado de alambres .4.4.e.- Por ultimo acercamos las manos al generador para probar la descarga .

Experimento N° 5 : Jaula de Faraday .

4.5.a.- Se conecto un electrodo de la MW con la bola de la jaula , y este se conecto al soporte metalico de un plumero en su interior .4.5.b.- Se coloco otro plumero fuera de la jaula .Se hizo girar la MW y se anoto lo observado .4.5.c.- Se repitio el mismo experimento pero ahora sin conectar la cadena del electrodo de la jaula con el soporte metalico del plumero en su interior .

Experimento N° 6 : Poder de las puntas .

4.6.a.- Conectamos un electrodo de la MW . Mediante un cable al soporte que contenia los electrodos con punta y sin punta .

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4.6.b.- Mientras funcionaba la MW acercamos la flama de un encendedor al electrodo con punta . Se anoto lo observado .4.6.c.- Ahora acercamos el encendedor al electrodo sin punta y se anoto lo visto .4.6.d.- Repetimos los lasos anterires con el otro electrodo de la MW .

Experimento N° 7 : Ping pong electrico .

4.7.a.- Se conecto dos discos metalicos , cada uno a un electrodo de la MW , se poscicionaron de forma paralela de tal manera que en medio de ellos estuviera colocado el pendulo electrostatico .4.7.b.- Luego se encendio la MW , y se anoto lo observado .

V DATOS EXPERIMENTALES

Respecto a este laboratorio podemos citar lo observado en paralelo a la ejecución de los experimentos .

Experimento N° 1 : Determinación de la carga de un objeto mediante el uso de un electroscopio .

5.1.a.- Al acercar la varilla de vidrio al electroscopio antes de frotarla no se observo presencia de carga , lo mismo ocurrio con las varillas de ebonita y acrilico .5.1b.- Luego de frotar cada varilla , al acercarlas al electroscopio se separaban las laminillas de este , cuando una varilla tocaba la esferita del electroscopio las laminillasquedaban separadas permanente .

Experimento N° 2 : Electroforo de Volta .

5.2.a.- Se hizo la primera prueba del electroforo con el electroscopio , pero no se observo la presencia de carga en el disco .5.2.b.- Se repitio varias veces el experimento para encontrar algun error .

Experimento N° 3 : Maquina de Wimshurt (MW) .

5.3.a.- Al poner a girar la MW , se observo que entre los electrodos aparecio de repente una chispa electrica .5.3.b.- Cuando la bola de prueba toco un electrodo de la MW se comprobó que tenia carga mediante el electroscopio .

Experimento N° 4 : Generador Van Der Graaff .

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5.4.a.- Antes de encender el generador se observo que tenia tiras de papel pegadas alrededor del diametro , las cuales empezaron a flotar cuando este se encendio .5.4.b.- Al acercar la bola de prueba se observo saltar una chispa entre esta y el generador , y en cuanto se acerco la bola al electroscopio se observo que habia quedado cargada pese a que en un inicio estaba neutra .5.4.c.- Al acercar el plumero las tiras de papel de este tambien empezaron a flotar .5.4.d.- El molinillo de alambres tambien comenzó a girar al encender el generador . 5.4.e.- Cuando se acercaban las manos al generador , al estar muy cerca empezamos a sentir chispas electricas que saltaban del cascaron metalico a nuestras manos , pero al tocar el cascaron no se sentia nada .

Experimento N° 5 : Jaula de Faraday .

5.5.a.- Al conectar el equipo que se cita en el paso 4.5.a ,(seccion IV ) , vimos que las tiras del plumero dentro de la jaula permanecieron quietas , mientras que las del plumero exterior comenzaron a flotar .5.5.b.- Al repetir el experimento pero ahora como lo cita el paso 4.5.c , ahora las tiras del plumero dentro de la jaula comenzaron a flotar (aparentemente esto contradice la ley del blindaje electrostatico ) .

Experimento N° 6 : Poder de las puntas .

5.6.a.- Al conectar el sistema como lo indica el paso 4.6.a y encender la MW se observo : i) Al ecercar la flama del encendedor al electrodo con punta , observamos que la flama era repelida por la punta , como si corriera viento desde la punta hacia el exterior . ii) Ahora al acercar la flama al electrodo sin punta esta era obligada a penetrar dentro del orificio del electrodo , como si fuese atraida por la punta interno del electrodo o si corriera viento desde el exterior hacia la punta .5.6.b.- Cuando se repitio el experimento conectando los electrodos con y sin punta al otro electrodo de la MW ocurrio exactamente todo lo mismo que se menciona en el inciso 5.6.a .

Experimento N° 7 : Ping pong electrico .

5.7.a.- Cuando conectamos el sistema que cita el paso 4.7.a . Al encender la MW la pelota del pendulo comenzo a rebotar entre las placas metalicas hasta cierto momento , cuando comenzo a pegarse a una placa y luego de un rato se pego ala otra placa .

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VI INTERPRETACION DE DATOS EXPERIMENTALES

En el presente laboratorio los experimentos realizados tuvieron un carácter netamente cualitativo (observación) , por esto nuestro trabajo de datos sera en base a interpretar y explicar lo que se cita en las seccion V y responder a las preguntas que se hacen en la guia de laboratorio N° 1 .

Experimento N° 1

6.1.a.- En un inicio las varillas no causan perturbacion al electroscopio pues no estan cargadas .6.1.b.- Al frotar la varilla de vidrio con la franela se produjo una transferencia de electrones de la varilla hacia la franela , esto lo deducimos teniendo como referencia la tabla N° 1 (seccion VIII ).6.1.c.- De lo anterior tambien deducimos que se produjo una transferencia de electrones de la seda hacia la ebonita y otra transferencia de la barra de acrilico hacia la lana .6.1.d.-Estas transferencias se comprobaron con el electroscopio .

Experimento N° 2 6.2.a.- Esperabamos que el electroforo funcionara de la siguiente forma : Al ser frotado el acrilico recibiria una carga neta , la cual pasaria al disco metalico y seria detectada en el electroscopio . La razon por la cual no resulto este experimento es debida a que cuando se juntaron el disco con la placa se produjo un efecto de inducción en el disco para que se cargara era necesario que reciba o pierda electrones para lo cual se deberia haber conectado a tierra , lo cual no se hizo .

Experimento Nº 3

6.3.a. El funcionamiento de la Maquina de Whimshurt (MW) fue

comprendido mediante la explicación que se dice en la video

cinta informativa la cual resumiremos:

Del grafico del anexo 1.7. Si en los brazos conductores A y B

existiese inicialmente una carga de signo opuesto entre A y B,

cada uno induciría una carga en la placas conductoras C y D las

cuales al conectarse con las escobillas L realiza una

transferencia de electrones entre las placas, esto se repite con

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cada una de las placas diametralmente opuestas en el disco R1

el cual al girar repite el proceso de carga y las placas van

quedando cada vez mas cargadas. Esto crea una inducción muy

fuerte en los brazos conductores, A y B los cuales están

conectados cada uno a los electrodos E y F, en un determinado

momento entre las esferas E y F se crea un campo eléctrico tan

grande que vence el valor de la rigidez dieléctrica del aire

(Z3x106 N/C) lo cual produjo la chispa que se observo. Este

proceso es reforzado por el giro en sentido opuesto del disco Rz.

Experimento Nº 4

6.4.a. El funcionamiento del modelo simplificado del generador Von

Der Graaff que se utilizo en el laboratorio consiste en:

i. Por fricción la banda de goma adquiero una carga que

proviene de tierra, esta carga es transportada por la banda

hacia la polea A en el interior del cascaron esférico en donde

mediante un peine metálico es colectada y transmitida

íntegramente a la superficie exterior del cascaron esférico

conductor.

ii. Esta transmisión continua hasta que el campo eléctrico

creado por el cascaron tenga un mayor valor que la rigidez

dieléctrica del aire (3x106 M6) la cual es el máximo valor del

campo eléctrico que puede soportar el aire hasta que se

vuelva conductor.

iii. Este proceso se realizo de manera continua gracias al

motor eléctrico C que puede ser reemplazado por una

manera mecánica.

Experimento Nº 5

6.5.a. El experimento de la jaula de Faraday se basa en el principio

electrostática; el campo eléctrico en el interior de un conductor

siempre es cero (E=0), por esto al conectar el soporte metálico

del plumero interior a la jaula este formada parte de su

superficie interna, entonces esta y el plumero de bercón por ser

en su conjunto una carga neta cero y la carga resultante que

venía de la MW se distribuyo en la superficie externa de la

jaula, esto ocasionó que el plumero exterior a la jaula sea

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afectado por el campo eléctrico debida a la misma. Estos

efectos demuestran el “Blindaje electrostático”.

6.5.b. Según el artículo 5.5.b, en este caso el plumero en el interior de

la jaula ahora se fue afectado por el campo eléctrico de la jaula,

hay que considerar que en este caso el plumero ya no forma

parte de la superficie interior de la jaula conductora sino que

esta aislada de esta; ahora este plumero pudo haber adquirido

una carga distinta de cero durante el experimento anterior esto

provocaría que ahora se tuviera una carga neta encerrada en el

interior de un conductor. Le ordenas ahora la ley de Gauss que

se expresa matemáticamente como:

S E.dA=Qcnc /E (Ley de Gauss)

Donde Qcnc es la carga neta encerrada por una superficie S, es la

constante de permitividad y el término sE.d A, la integral de

flujo de E sobre S. En el primer caso (6.5.1) al ser Qcnc=0

necesariamente E=0, pero para el caso presente Qcnc≠0 (por

hipótesis) lo cual implica que E≠0, es decir mediante esto se

demuestra que el campo eléctrico en el interior del conductor

no debiera ser cero.

Experimento Nº 6

6.6.a. El efecto de repulsión sobre las flamas debido a las puntas era

causada por el efecto del intenso campo eléctrico creado por

las puntas sobre las moléculas de aire de su entorno, cada

molécula era forzada a moverse fuera de la punta y este efecto

era notario en la flama.

6.6.b. Cuando se utilizó el electrodo con punta interna, ahora este

creaba un campo que obligaba de entrar a las moléculas de aire

dentro del orificio, por estos efectos decidimos que el campo

eléctrico E creado entre estos electrodos era en la dirección del

electrodo sin punta hasta el electrodo con punta (Vease anexo:

1.6).

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6.6.c. De acuerdo con el inciso 5.6.b, de lo observado decimos que

fueron cual fuera la carga del electrodo el campo tenía la

misma dirección.

6.6.d. El motivo por el cual se obtuvieron grandes campos eléctricos

en las puntas es que experimentalmente se demuestra que

estas regiones tiendas a concentrar mayor cantidad de carga.

Experimento Nº 7

6.7.a. La pelota de péndulo electrostática rebota debido a que al

encender la MW se crea una carga de signo opuesto en cada

una de las placas, cuando la pelota del péndulo toca alguna de

las placas recibe carga neta de esta (porque esta bañada de

pintura conductora), como queda con carga del mismo signo se

crea una fuerza de repulsión entre la pelota y la placa, esta la

envía hacia la otra placa en donde al tocarla queda cargada de

signo opuesto y se repite el proceso anterior, con esto se

obtiene un rebote continuo de la pelota entre las placas.

VII. OBSERVACIONES

7.1. El electróforo de Volta no funciono debido a que no se

conecto el disco a tierra, nos percatamos de este detalle

cuando se mostró el funcionamiento correcto de este

dispositivo en la video cinta informativa.

7.2. La Maquina de Wimshur (MW) es un dispositivo que puede

generar un alto voltaje a partir de una pequeña carga

inicial (como lo indica 6.3.a) tal vez esta carga inicial sea

creada debido a que la MW contiene en su interior

condensadores.

7.3. El generador Van Der Graaft es usado para crear grandes

voltajes en laboratorios de física de partículas (para

acelerar protones, etc) el modelo que se utilizó es uno

simplificado.

7.4. La aparente contradicción con la teoría que se observa en

el experimento de la jaula de Faraday, producida según

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6.5.2, por una carga residual en el plumero, también pudo

ser influenciada con el hecho que la jaula no era una

superficie cerrada pues era abierta en su parte inferior (no

tenía piso).

7.5. La prueba de “El poder de las puntas” habría sido mas

evidente si se hubiese utilizado electrodos de punta más

aguda como una aguja.

7.6. La pelota del Ping Pong y electrostático debería haber

rebotado continuamente entre las placas, pero hay que

recordar que esta pelota debe de estar punteada

uniformemente con pintura conductora pero la que usemos

será hallada descascarada.

VIII. CONCLUSIONES

De los experimentos realizados podemos decir que:

8.1. La carga es una propiedad de la materia y esta

determinada en caso general por la transferencia de

electrones (Exp. Nº 1).

8.2. La transferencia de cargas por fricción es producto de la

interacción de los electrones entre los cuerpos en contacto

(Exp. Nº 1 y Nº 2).

8.3. La carga se puede acumular de forma continua, esta carga

también crea un campo eléctrico en su entorno pero cada

cierta magnitud de este campo el medio se hace conductor

Exp. Nº 3.

8.4. Las cargas en un conductor siempre se acumula en la

superficie, si este es hueco su superficie interna tendrá

carga cero (Exp. Nº 4).

8.5. El blindaje electrostático elimina los efectos de cualquier

campo externo para un cuerpo que permanece en el

interior de un conductor hueco siempre que la superficie

sea cerrada (Exp. Nº 5).

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8.6. Los campos eléctricos creados por puntas en conductores

metálicos son mayores intercediéndose por punta toda

opción pronunciada y aguja en la superficie de un

conductor (puntas, londas, esquinas, etc).

8.7. La carga puede considerarse como un tipo de energía, pues

visto de este modo la transferencia de carga dio la energía

mecánica necesaria para producir los lotes en la pelota del

péndulo electrostático.

8.8. De acuerdo a la referencia N° 4 (Sección IX) podemos

considerar la siguiente serie electrostática:

TABLA N°1 SERIE

ELECTROSTÁTICA (*)

1. Vidrio

2. Mica

3. Lana

4. Seda

5. Algodón

6. Madera

7. Ambar

8. Resina

9. Métodos

10. Azufre

11. Celuloide

(*) Cada material es electrizado positivamente si es frotado con el

material que se posiciona debajo de él.

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Bibliografía

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